Captura de Carbono con Material Híbrido Eficiente: Carbonato de Sodio y Nanocarbono

Las emisiones industriales son una de las principales fuentes de dióxido de carbono (CO2) que induce el cambio climático. Si bien la adopción de energías renovables y alternativas limpias es una opción para mitigar estas emisiones de carbono, la tecnología de captura de carbono es otra solución para controlar las emisiones de CO2. En las grandes industrias emisoras de CO2, como la cementera, las refinerías de petróleo y las plantas de energía térmica, la tecnología de captura de carbono se puede aplicar fácilmente para eliminar las emisiones de CO2 directamente en la fuente a un costo viable y con bajo consumo de energía. Se han explorado diferentes materiales para la captura de CO2 en fábricas, incluidos zeolitas, marcos metal-orgánicos, minerales naturales, álcalis y sales de metales alcalinos. Entre ellos, los carbonatos de metales alcalinos, como el carbonato de sodio (Na2CO3), se consideran materiales efectivos y económicos con propiedades estables y fácil adquisición.

Teóricamente, el Na2CO3 tiene una capacidad de captura de CO2 decente y se puede regenerar fácilmente para usos sucesivos. Sin embargo, la aplicación directa de Na2CO3 para capturar CO2 provoca una aglomeración de cristales, lo que lleva a una baja eficiencia y una menor longevidad. Este problema se puede eliminar utilizando un esqueleto de carbono para Na2CO3. Los materiales de carbono porosos con buena conectividad de poros proporcionan baja densidad, estabilidad estructural, hidrofobicidad y una gran superficie que puede estabilizar el Na2CO3. Estudios previos informan que los nanocompuestos Na2CO3-carbono tienen una capacidad de captura de CO2 de 5,2 mmol/g. Sin embargo, estos estudios no inspeccionan el efecto de las temperaturas de carbonización en el rendimiento general del material. 

Por lo tanto, en un nuevo estudio publicado en Energy & Fuels el 12 de junio de 2024, el profesor Hirofumi Kanoh y Bo Zhang de la Escuela de Graduados de Ciencias, Universidad de Chiba, sintetizaron un material híbrido de captura de CO2 que consiste en Na2CO3 envuelto con nanocarbono poroso. Además, evaluaron su eficiencia de captura y regeneración de CO2 a diferentes temperaturas de carbonización. Los híbridos Na2CO3-carbono (NaCH) se derivaron de la carbonización de tereftalato de disodio a temperaturas que van desde 873 K hasta 973 K en presencia de nitrógeno como gas protector. “Reducir las emisiones de CO2 es un problema urgente, pero aún faltan investigaciones sobre los métodos y los sistemas de materiales para la captura de CO2. Este sistema híbrido de Na2CO3-carbono demostró ser prometedor en nuestras investigaciones iniciales, lo que nos impulsó a explorarlo aún más”, afirma el profesor Kanoh. 

El equipo midió la capacidad de captura de CO2 de los materiales híbridos en condiciones húmedas para imitar las condiciones de los gases de escape de residuos de fábrica. Encontraron que los híbridos NaCH preparados a temperaturas de carbonización cercanas a 913–943 K demostraron mayores capacidades de captura de CO2. Entre ellos, NaCH-923 tuvo la mayor capacidad de captura de CO2 de 6,25 mmol/g y un alto contenido de carbono de más del 40%, lo que resultó en una superficie más grande, lo que permitió una distribución más uniforme de Na2CO3 en la superficie de nanocarbono. Esto redujo la tasa de aglomeración de cristales de Na2CO3 y condujo a velocidades de reacción más rápidas. 

Después de que NaCH-923 capturó CO2 de manera efectiva, los científicos volvieron a calentar el NaCH-923-CO2 resultante en presencia de nitrógeno para probar su rendimiento de regeneración. Encontraron que NaCH-923 podría regenerarse y utilizarse para la captura de CO2 durante 10 ciclos, mientras que conservaba más del 95% de su capacidad inicial de captura de CO2. Estos resultados indican que NaCH-923 exhibe buena resistencia estructural, durabilidad y regeneración, lo que lo convierte en un excelente material para la captura de CO2 en condiciones húmedas. 

Experimentos adicionales en NaCH-923-CO2 mostraron que la muestra experimentó un cambio de masa pronunciado a 326−373 K (alrededor de 80 °C en promedio). Dado que la temperatura del gas de escape de las plantas de energía térmica también suele estar en ese rango, el calor residual de las fábricas y las plantas de energía se puede utilizar fácilmente como fuente de calor para regenerar NaCH-923, lo que reduce eficazmente el consumo de energía. 

Estos hallazgos muestran que la temperatura de carbonización influye significativamente en el rendimiento de captura de CO2 y el contenido de carbono de los híbridos NaCH, siendo NaCH-923 el que exhibe las mejores características. NaCH-923, al ser un adsorbente sólido, puede capturar CO2 de manera eficiente a temperatura y presión ambiente con alta selectividad para CO2 y sin el problema de la corrosión del equipo que existe con los adsorbentes líquidos que se utilizan actualmente en las industrias. Además, estas características permiten su aplicación generalizada en diversas configuraciones, entornos y diversos entornos industriales. 

“Al transformar el Na2CO3, que ya tiene una buena capacidad de captura de CO2, en un nanocompuesto, fue posible mejorar la velocidad de reacción y reducir la temperatura de descomposición y regeneración. Esto permite el uso del calor residual de la fábrica para la regeneración a unos 80 °C, lo que nos proporciona un sistema de captura de CO2 energéticamente eficiente”, concluye el profesor Kanoh. 

Acerca del profesor Hirofumi Kanoh
Hirofumi Kanoh es profesor de la Escuela de Graduados de Ciencias, Universidad de Chiba, Japón. Es el jefe del ‘Kanoh Lab’ o el Laboratorio de Química Molecular en el Departamento de Química. Su especialización principal en investigación es la química física con un enfoque en la creación y caracterización de nuevos sólidos nanoporosos. Su investigación tiene como objetivo desarrollar una nueva ciencia molecular que pueda ayudar a proteger el medio ambiente de la tierra utilizando el nanoespacio en sólidos, y crear ciencia básica destinada a comprender y aplicar las nuevas funciones del nanoespacio y los materiales nanoestructurados. Tiene más de 300 publicaciones y más de 45 patentes en el campo de la nanoquímica.