La eliminación del dióxido de carbono (CO2) es una forma importante de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero antes de que entren a la atmósfera. Aunque la captura de carbono existe desde hace muchos años, no se ha adoptado ampliamente porque la mayoría de los sistemas son costosos e ineficientes. Un proceso industrial común, el lavado con amina acuosa, requiere calentar una gran cantidad de líquido a temperaturas superiores a 100 °C para liberar el CO capturado.2 y reutilizar la solución. Esta alta demanda de energía aumenta los costos operativos y dificulta su uso a gran escala.
Los materiales de carbono sólido han llamado la atención como una alternativa más práctica. Estos materiales son relativamente económicos y tienen una gran superficie que les permite atrapar CO.2. También pueden liberar gases utilizando menos calor, especialmente cuando contienen grupos funcionales a base de nitrógeno. Sin embargo, existe una limitación clave. Los métodos de fabricación tradicionales colocan estos grupos de nitrógeno de forma aleatoria en todo el material, lo que dificulta identificar qué disposiciones específicas conducen a un mejor rendimiento.
Para abordar este desafío, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Yasuhiro Yamada y el profesor asociado Tomonori Ohba de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba (Japón) desarrolló un nuevo tipo de material de carbono llamado “visiazitas”. Estos materiales están diseñados con grupos de nitrógeno situados uno al lado del otro de forma controlada. La investigación se publica en la revista. CarbónCoautor Sr. Kota Kondo, también de la Universidad de Chiba.
Formación de visiazita con emparejamiento controlado de nitrógeno
Los investigadores crearon tres versiones diferentes de visiazita, cada una con una configuración de nitrógeno vecina única. para formar grupos amino primarios adyacentes (-NH2 grupo), primero calentaron el compuesto llamado corona, luego lo trataron con bromo y luego con gas amoníaco. Este método de tres pasos logró una selectividad del 76%, lo que significa que la mayoría de los átomos de nitrógeno se colocaron en la posición deseada.
Se produjeron dos materiales adicionales utilizando diferentes compuestos de partida. Uno tiene nitrógeno pirrólico adyacente con una selectividad del 82%, el otro tiene nitrógeno piridínico adyacente con una selectividad del 60%.
Verificar la estructura y probar el rendimiento.
Cada material se aplicó a fibras de carbón activado para producir muestras utilizables. El equipo confirmó la ubicación precisa de los grupos de nitrógeno utilizando técnicas como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y el modelado computacional. Estos métodos verificaron que los átomos de nitrógeno estaban colocados uno al lado del otro en lugar de distribuidos aleatoriamente.
Cuando se probaron, los materiales mostraron claras diferencias de rendimiento. Las muestras con grupos -NH2 adyacentes y nitrógeno pirrólico capturaron más CO2 que la fibra de carbono cruda. Por el contrario, la configuración del nitrógeno piridínico ofreció poca mejora.
CO de baja temperatura2 La liberación puede reducir el consumo de energía
El hallazgo más notable fue la facilidad con la que los materiales liberan CO2. “La evaluación del rendimiento mostró que en materiales de carbono donde se introducen grupos NH2 adyacentes, la mayor parte del CO adsorbido2 Se absorbe a temperaturas inferiores a 60°C. Combinando esta propiedad con el calor residual industrial, puede ser posible lograr procesos eficientes de captura de CO2 con costos operativos sustancialmente más bajos”, destacó el Dr. Yamada.
Los materiales que contienen nitrógeno pirrólico requieren altas temperaturas para liberar CO2Pero puede proporcionar estabilidad a largo plazo debido a su fuerte estructura química.
Un nuevo camino hacia la captura de carbono rentable
Este trabajo muestra que la disposición de grupos de nitrógeno en patrones contiguos específicos se puede realizar de manera confiable, lo que proporciona una estrategia clara para diseñar materiales avanzados de captura de carbono. “Nuestra motivación es contribuir a la sociedad del futuro y utilizar nuestros materiales de carbono recientemente desarrollados con estructuras controladas. Este trabajo proporciona un camino válido para sintetizar materiales de carbono de diseño dopados con nitrógeno, que proporcionan el control a nivel molecular necesario para el desarrollo de CO avanzado, rentable y de próxima generación.2 tecnología de captura”, concluyó el Dr. Yamada.
El CO está más allá de la captura2Estos materiales de viciazita se pueden utilizar para otras aplicaciones, incluida la eliminación de iones metálicos o como catalizadores, gracias a sus propiedades superficiales personalizables.
Financiamiento y apoyo
Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencia y Tecnología Mukai, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (número de subvención JSPS KAKENHI JP24K01251) y la “Infraestructura de investigación avanzada para materiales y nanotecnología en Japón (ARIM)”.
