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Polymers

Un súper adsorbente de metano en condiciones suaves

Este polímero flexible y poroso “respira” almacenando y liberando cantidades récord de combustible gaseoso

by Megha Satyanarayana
August 13, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 29

 

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Credit: Nat. Energy
Una mezcla de benceno, dicloroetano y un catalizador (izquierda) reacciona rápidamente (centro), produciendo un polímero sólido amorfo, COP-150 (derecha), que adsorbe metano reversiblemente.

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Un polímero poroso fácil de fabricar puede adsorber hasta un 25% más de metano que el valor objetivo establecido por el Departamento de Energía (DOE) de los EEUU para materiales de almacenamiento de gas natural, según este reciente estudio (Nat. Energy 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0427-x). Este material que bate récords se preparó a temperatura ambiente empleando materiales de laboratorio de vidrio abiertos al aire y partiendo de materias primas que cuestan menos de 1.00 $/kg.

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Los vehículos alimentados por gas natural, predominantemente metano, producen niveles más bajos de CO2 y de otras emisiones en comparación con motores de gasolina y diésel. Sin embargo, el alto precio de los tanques de alta presión que son necesarios para almacenar suficiente combustible como para usarse en distancias cotidianas de conducción -unido al gran espacio necesario para alojar tanques cisterna difíciles de manejar- limita la viabilidad del gas natural comprimido como combustible para el transporte, especialmente para vehículos de pasajeros.

Por tanto, los investigadores han buscado sustancias sólidas que adsorban reversiblemente grandes cantidades de metano a presiones moderadas. En principio, tanques cargados con los adsorbentes adecuados podrían almacenar más gas a presiones más bajas, y podrían diseñarse para que encajen en el espacio disponible de un vehículo. Algunos adsorbentes, como por ejemplo los compuestos organometálicos (o MOFs, por sus siglas en inglés), han demostrado ser prometedores para alcanzar los objetivos de almacenamiento de metano del DOE: 0,5 g de metano por gramos de material y 263 L de metano por litro de material. Este nuevo polímero supera esos objetivos, almacenando reversiblemente metano a 0,625 g/g y 294 L/L, comenzando a 100 bar y cerca de 0 °C y luego bajando a 5 bar, a medida que libera el gas.

Apodado como COP-150, el nuevo polímero, que está hecho de benceno y 1,2-dicloroetano, tiene una estructura flexible que permite que el material se hinche al absorber metano y se encoja al liberarlo. Vepa Rozyev y Cafer T. Yavuz del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, Mert Atilhan de la Universidad de Texas A&M en Qatar y sus compañeros, dedujeron que hacer polímeros con núcleos aromáticos acoplados a través de enlazadores de etileno flexibles produciría adsorbentes porosos que “respiren”. El equipo preparó 29 polímeros; el más eficiente y económico fue COP-150, el cual probaron en un cilindro comercial de gas.

“El concepto detrás del material es ingenioso”, dice Neil B. McKeown de la Universidad de Edimburgo, especialista en polímeros porosos. Otros investigadores han estudiado polímeros que se expanden al absorber disolventes. Este equipo aplicó ese fenómeno al almacenamiento de metano, según explica. El truco del equipo fue adaptar el polímero para que se expandiera sobre un rango de presión apropiado, optimizando la capacidad de trabajo del material, destaca Neil. “Parece muy prometedor; sin embargo, para un uso práctico, sería interesante saber cómo de rápidos son los ciclos completos de adsorción-desorción, ya que ambos se ven favorecidos por una significativa reorganización de la estructura del polímero”.

Cambiar la dependencia que tiene la sociedad de los combustibles fósiles a alternativas más ecológicas, como el hidrógeno, es un gran desafío, dice Omar K. Farha, especialista en MOFs de la Universidad del Noroeste. Omar apunta también que las tecnologías que permiten el almacenamiento de alta capacidad de combustibles gaseosos, como el metano, podrían ser un puente hacia alternativas energéticas más limpias. Sin embargo, normalmente se requieren presiones muy altas o temperaturas criogénicas para almacenar cantidades prácticas de combustibles gaseosos, señala Farha. No obstante, este nuevo polímero cumple con los objetivos del DOE bajo condiciones industrialmente relevantes, “convirtiendo estos materiales en adsorbentes prometedores para aplicaciones de gas natural”.

Traducido al español por César Palmero para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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