Diseñan una esponja de grafeno que impide la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera

Un equipo de investigación de las universidades de Córdoba y Málaga, junto con expertos del Instituto Polymat de la Universidad del País Vasco, han desarrollado una nueva estructura porosa que captura y retiene dióxido de carbono, uno de los principales gases de efecto invernadero. Esta pieza con forma de panal de abeja contiene además micropartículas de nitrógeno y azufre, que al contacto con el CO2 actúan como un doble filtro e impiden que este gas se libere a la atmósfera.

Muestra de la pieza de óxido de grafeno reducido diseñada por los expertos andaluces para retener dióxido de carbono.

La particularidad de esta especie de malla tridimensional es la combinación de una alta porosidad diseñada para retener todo el CO2 posible durante su ciclo de funcionamiento y la capacidad de atrapar este gas de forma selectiva discriminando otros gases inertes a los que deja pasar.

Para construir estas estructuras, los expertos han producido por primera vez óxido de grafeno reducido, la forma oxidada de este material de carbono, mediante el uso de vitamina C. El resultado es un compuesto sostenible con buenas propiedades mecánicas ya que resiste impactos, soporta altas temperaturas y conduce la electricidad.

Material sostenible

Tradicionalmente, la captura de CO2 se ha realizado con sustancias líquidas y corrosivas como el amoniaco, que afectan al funcionamiento de los equipos en los que se emplean. En este estudio, los investigadores andaluces apostaron por una tecnología alternativa y sostenible para retener este gas con el empleo de materiales carbonosos de alta porosidad. “Hemos creado monolitos con poros muy pequeños que presentan un alto rendimiento, especialmente en la selectividad de la adsorción de CO2 con relación al nitrógeno”, apunta a la Fundación Descubre Juan Antonio Cecilia, investigador de la Universidad de Málaga y coautor de este trabajo.

El investigador Juan Cecilia (UMA) con el filtro diseñado.

Este material procedente del grafito se caracteriza además por el bajo impacto ambiental en su fabricación y su utilización. “El grafito es un mineral abundante en la naturaleza. De él se obtiene el grafeno, un compuesto laminar y cristalino. Su obtención en laboratorio es costosa. Por ello optamos por usar óxido de grafeno reducido, ya que su producción a gran escala es más sostenible”, explica Luis Serrano, investigador de la Universidad de Córdoba y coautor de este estudio.

Como detallan en el estudio titulado ‘Towards functionalized graphene/polymer monolithic structures for selective CO2 capture’ y publicado en la revista Microporous and Mesoporous Materials, han conseguido fabricar a escala de laboratorio este tipo de esponja carbonosa tridimensional con una alta porosidad y capaz para de atrapar el dióxido de carbono.

El objetivo de esta estructura, cuyo peso puede ser similar al de una esponja de baño, es estrechar los poros lo máximo posible para que la molécula de CO2 penetre y no localice una salida al exterior de tal modo que quede retenida en su estructura. “El material tiene que ser un laberinto formado por caminos estrechos del que el dióxido de carbono no pueda salir”, matiza Juan Antonio Cecilia.

El investigador Luis Serrano (UCO) analizando la vista microscópica del interior del filtro.

Además de adsorber el dióxido de carbono, esta esponja está diseñada para discriminar la presencia de otros gases y no retenerlos. “Su función consiste en identificar moléculas de CO2 e impedirle el paso. Si la adsorción fuera similar con el resto de gases, los poros se llenarían y esos huecos en los que se debería quedar el dióxido de carbono quedarían ocupados por una gran variedad de moléculas, siendo adsorbentes menos eficientes”, añade Cecilia.

Nitrógeno y azufre para atrapar CO2

Para ello, las paredes de estas estructuras están compuestas por un material carbonoso que también presenta átomos de nitrógeno y azufre embebidos en su estructura y son sensibles al CO2. “La presencia de azufre y nitrógeno en estos compuestos fomenta una mayor retención de dióxido de carbono y, por tanto, aumentan la efectividad de esta estructura”, detalla Serrano.

Una vez fabricada esta esponja, los expertos andaluces estudiaron sus propiedades texturales, es decir, la porosidad del material. En las pruebas realizadas modificaron diferentes parámetros para comprobar qué cantidad de dióxido de carbono puede capturar una pieza de este tipo y cuál es su comportamiento. “Variamos la temperatura, el tamaño de los poros, la cantidad de nitrógeno y azufre añadidos en la estructura para potenciar la adsorción de dióxido de carbono, y así obtuvimos un modelo que reúne unos valores idóneos de selección y captura de CO2”, explica Serrano.

Vista al microscopio donde se muestra el interior de la pieza en forma de panal de abeja.

Tras obtener estos resultados, los investigadores han evaluado la capacidad de adsorción, regeneración y nuevamente puesta en funcionamiento de estas estructuras. “Inyectamos corrientes de CO2 de forma periódica para comprobar si pierden capacidad de adsorción, si los poros se debilitan, si se deforman o si se degrada alguna zona”, asegura Serrano.

El siguiente paso es mejorar la adsorción sin perder selectividad y escalar el proceso a nivel industrial. “Esta esponja es como un castillo de naipes. Al tener muchos huecos, si se quita una carta se desvanece. A esta estructura le puede pasar lo mismo ya que si se hace un adsorbente excesivamente poroso puede colapsar su estructura porosa. La capacidad de retención podría disminuir tras su ciclo de uso porque alguno de los poros se hubiera deformado o colapsado. Tenemos que estudiar estas variables en pequeñas columnas para escalar el proceso y ensayar simulaciones en chimeneas industriales”, matiza Cecilia.

De izquierda a derecha: Iranzu Barbarin, Luis Serrano Cantador, Juan Antonio Cecilia y Radmila Tomovska, principales autores del estudio.

Este estudio ha recibido financiación de la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía, Fondos FEDER y de la Agencia Estatal de Investigación.

Referencias

Iranzu Barbarin, Nikolaos Politakos, Luis Serrano Cantador, Juan Antonio Cecilia, Oihane Sanz, Radmila Tomovska: Towards functionalized graphene/polymer monolithic structures for selective CO2 capture. Microporous and Mesoporous Materials. 2022.

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