Materiales amantes del carbono diseñados para reducir las emisiones industriales

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y de la Universidad de Tennessee, Knoxville, están avanzando en los materiales de membrana de gas para expandir las opciones tecnológicas prácticas para reducir las emisiones industriales de carbono.

Resultados publicados en Chem Demostrar un método de fabricación para materiales de membrana que puede superar los cuellos de botella actuales en selectividad y permeabilidad, variables clave que impulsan el rendimiento de captura de carbono en entornos reales.

“A menudo existe un compromiso en cuanto a cuán selectivo o permeable puede hacer que las membranas filtren el dióxido de carbono sin permitir que pasen otros gases. El escenario ideal es crear materiales con alta permeabilidad y selectividad”, dijo Zhenzhen Yang de UT’s Departamento de Química.

Las membranas de gas son una tecnología prometedora pero aún en desarrollo para reducir las emisiones de postcombustión o gases de combustión producidas por las industrias de combustibles fósiles.

El concepto es simple: una membrana delgada y porosa actúa como filtro para las mezclas de gases de escape, permitiendo selectivamente dióxido de carbono o CO2, para fluir libremente hacia un colector que se mantiene bajo presión reducida, pero que evita que el oxígeno, el nitrógeno y otros gases se peguen.

A diferencia de los métodos químicos existentes para capturar CO2 De los procesos industriales, las membranas son fáciles de instalar y pueden operar sin supervisión durante largos períodos sin pasos adicionales o costos de energía adicionales. El problema es que se necesitan materiales nuevos y rentables para ampliar la tecnología para su adopción comercial.

“Las membranas de gas necesitan presión en un lado y típicamente un vacío en el otro para mantener un ambiente de flujo libre, razón por la cual la selectividad y la permeabilidad de los materiales son tan importantes para desarrollar la tecnología”, dijo Ilja Popovs, de la División de Ciencias Químicas de ORNL. “Los materiales de bajo rendimiento requieren más energía para impulsar los gases a través del sistema, por lo que los materiales avanzados son clave para mantener bajos los costos de energía”.

Ningún material natural y solo unos pocos sintéticos ha excedido lo que se llama el límite superior de Robeson, un límite conocido que limita cuán selectivos y permeables pueden ser la mayoría de los materiales antes de que estas tasas comiencen a caer.

Los materiales con selectividad y permeabilidad suficientemente altas para separaciones de gases eficientes son raros y, a menudo, están hechos de costosos materiales de partida cuya producción requiere una síntesis larga y tediosa o catalizadores de metales de transición costosos.

“Nos propusimos probar una hipótesis de que la introducción de átomos de flúor en los materiales de la membrana podría mejorar el rendimiento de captura y separación de carbono”, dijo Yang.

El elemento flúor, utilizado para fabricar productos de consumo como el teflón y la pasta de dientes, ofrece propiedades de dióxido de carbono-philic que lo hacen atractivo para aplicaciones de captura de carbono. También está ampliamente disponible, por lo que es una opción relativamente asequible para métodos de fabricación de bajo costo. La investigación sobre las membranas de gas fluorado ha sido limitada debido a los desafíos fundamentales de incorporar flúor en los materiales para realizar su funcionalidad amante del carbono.

“Nuestro primer paso fue crear un polímero único a base de flúor utilizando métodos químicos simples y materiales de partida disponibles comercialmente”, dijo Yang.

Luego, los investigadores transformaron o carbonizaron el material utilizando calor para darle la estructura porosa y la funcionalidad necesaria para capturar CO2. El proceso de dos pasos preservó los grupos fluorados y aumentó el CO2 selectividad en el material final, superando un obstáculo fundamental encontrado en otros métodos sintéticos.

“El enfoque dio como resultado un material de dióxido de carbono-filico con un área de superficie alta y ultra microporos que es estable en condiciones operativas de alta temperatura”, dijo Yang. “Todos estos factores lo convierten en un candidato prometedor para las membranas de captura y separación de carbono”.

El novedoso diseño del material contribuye a su rendimiento excepcional, observado en altas tasas de selectividad y permeabilidad que exceden el límite superior de Robeson, algo que solo un puñado de materiales ha logrado.

“Nuestro éxito fue un logro material que demuestra rutas viables para aprovechar el flúor en futuros materiales de membrana. Además, logramos este objetivo utilizando materiales de partida económicos y disponibles comercialmente”, dijo Popovs.

El descubrimiento básico amplía la biblioteca limitada de opciones prácticas para las membranas de captura de carbono y abre nuevas direcciones para desarrollar membranas fluoradas con otras funcionalidades específicas de la tarea.

Los investigadores pretenden investigar a continuación el mecanismo por el cual las membranas fluoradas absorben y transportan CO2, un paso fundamental que informará el diseño de mejores sistemas de captura de carbono con materiales diseñados específicamente para tomar CO2 emisiones

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