Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han sintetizado nuevas moléculas capaces de secuestrar rápidamente cantidades significativas de dióxido de carbono del aire, una táctica clave para mitigar el cambio climático.
Este estudio, que se centró en los peróxidos de titanio, se basa en su investigación anterior sobre los peróxidos de vanadio. La investigación es parte de un esfuerzo federal más amplio para innovar nuevos métodos y materiales para la captura directa en el aire, o DAC, del dióxido de carbono producido por la quema de combustibles fósiles.
Los resultados de la investigación, dirigida por May Neiman y Karli Bach de la Facultad de Ciencias de OSU, se publicaron hoy. Química de Materiales.
En 2021, Newman, profesor de Química Terrence Bradshaw en la Facultad de Ciencias, fue seleccionado como líder de uno de los nueve proyectos de captura directa de aire financiados por el Departamento de Energía con una inversión inicial de 24 millones de dólares. Su equipo está explorando cómo ciertos complejos de metales de transición pueden reaccionar con el aire para eliminar el dióxido de carbono y convertirlo en carbonatos metálicos, como muchos de los que se encuentran naturalmente en los minerales.
Los metales de transición se encuentran cerca del centro de la tabla periódica y reciben su nombre de la transición de los electrones de estados de menor energía a estados de mayor energía y viceversa, dando lugar a colores específicos.
Las instalaciones que filtran el dióxido de carbono del aire todavía están en sus primeras etapas. Las tecnologías para reducir el dióxido de carbono en el punto de entrada a la atmósfera, como en las centrales eléctricas, están más maduras. Según los científicos, ambos tipos de captura de carbono serán necesarios para que la Tierra sobreviva a las peores consecuencias del cambio climático.
Actualmente hay un total de 18 plantas activas de captura directa de aire en funcionamiento en Estados Unidos, Canadá y Europa, con 130 plantas adicionales en todo el mundo. Los desafíos de la captura directa de aire en comparación con el trabajo con escapes industriales incluyen mayores costos y mayores requisitos de energía. Además, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es baja, cuatro partes por millón, lo que desafía la eficiencia de los materiales de captura de carbono.
“Elegimos mirar el titanio porque es 100 veces más barato que el vanadio, más abundante, más respetuoso con el medio ambiente y ya está bien establecido en el uso industrial”, dijo Bach, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Nyman. “Está justo al lado del vanadio en la tabla periódica, por lo que planteamos la hipótesis de que el comportamiento de captura de carbono podría ser lo suficientemente similar como para que el vanadio sea efectivo”.
Bach, Nyman y el resto del equipo de investigación crearon varias estructuras nuevas de titanato tetraperoxo (un átomo de titanio unido a cuatro grupos peróxido) que mostraron diferentes capacidades para eliminar el dióxido de carbono del aire. Las estructuras tetraperoxo son altamente reactivas debido a los grupos peróxido, que son poderosos agentes oxidantes.
Las peroxotitanitas relacionadas se han estudiado por sus posibles aplicaciones en catálisis, química ambiental y ciencia de materiales. Sin embargo, los tetraperoxititanatos nunca se sintetizaron definitivamente en este estudio. Bach pudo utilizar materiales económicos para reacciones químicas de alto rendimiento.
“Nuestra estructura de captura de carbono favorita que hemos descubierto es el tetraperoxo-titanato de potasio, que es muy singular porque resulta que también es un peroxolato”, dijo Bach. “Esto significa que además de tener un enlace de peróxido con el titanio, también tiene peróxido de hidrógeno en su estructura, lo que creemos que lo hace muy reactivo”.
La capacidad de captura de carbono medida fue de aproximadamente 8,5 mililitros de dióxido de carbono por gramo de tetraperoxotitanato de potasio, aproximadamente el doble que el peróxido de vanadio.
“El titanio es un material barato, seguro y con mucho potencial”, afirmó Bach.
El titanio, que lleva el nombre de los titanes de la mitología griega, es tan fuerte como el acero pero mucho más ligero. No es tóxico, no se corroe fácilmente y es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre: se encuentra en pequeñas cantidades en las rocas, el suelo, las plantas e incluso en el cuerpo humano.
Otros autores del artículo del estado de Oregon incluyeron a los profesores asistentes Tim Zuhlsdorf y Konstantinos Golis, el investigador postdoctoral Edward Garrido Ribo, los estudiantes graduados Jacob Hershey, Xavi Mao y Mackenzie Nord y el cristalógrafo Leo Zakharov, director interino de instalaciones de OSU.
Murdoch Charitable Trust también apoyó esta investigación a través de una subvención para instrumentos.
