Para frenar el calentamiento global, es necesario reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto incluye la eliminación gradual de los combustibles fósiles y la adopción de tecnologías de ahorro de energía. Sin embargo, reducir las emisiones por sí sola no es suficiente para alcanzar los objetivos climáticos. También es crucial eliminar grandes cantidades de dióxido de carbono de la atmósfera y almacenarlo bajo tierra o reutilizarlo en la industria como materiales neutros en carbono. Las tecnologías actuales de captura de carbono, si bien son efectivas, consumen mucha energía y son costosas.
Por ello, los investigadores de ETH Zurich están desarrollando una nueva forma de aprovechar la luz. Con este enfoque, la energía necesaria para la futura captura de carbono procederá del sol.
Dirigidos por Maria Lukatskaya, profesora de sistemas de energía electroquímica, los científicos están explotando el hecho de que en agua ácida, el dióxido de carbono existe como dióxido de carbono, pero en agua alcalina, el dióxido de carbono reacciona para formar carbonatos, conocidos como carbonatos. Esta reacción química es reversible. La acidez de un líquido determina si contiene dióxido de carbono o carbonatos.
Para influir en la acidez del líquido, los investigadores añadieron moléculas que reaccionan a la luz (llamadas fotoácidos). Si iluminas este líquido, estas moléculas lo vuelven ácido. En la oscuridad, vuelven a su estado original, volviendo el líquido alcalino.
Así funciona en detalle el método de los investigadores de ETH: los investigadores separan el dióxido de carbono del aire en la oscuridad haciéndolo pasar a través de un líquido que contiene fotoácido. Como este líquido es alcalino, el dióxido de carbono reacciona y forma carbonatos. Una vez que la sal en el líquido se ha acumulado hasta un cierto nivel, los investigadores iluminan el líquido. Esto vuelve ácido el líquido y los carbonatos se convierten en dióxido de carbono. El dióxido de carbono burbujea del líquido, como en una botella de Coca-Cola, y puede recogerse en un tanque de gasolina. Cuando casi no quedaba dióxido de carbono en el líquido, los investigadores apagaron la fuente de luz y el ciclo comenzó de nuevo, permitiendo que el líquido capturara el dióxido de carbono.
"En la práctica, sin embargo, surgió un problema: el fotoácido utilizado no era estable en agua", afirma Annade Vries, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Lukatskaya y primera autora del estudio. "Durante los primeros experimentos descubrimos que la molécula se descomponía al cabo de un día".
Entonces Lukatskaya, de Vries y sus colegas analizaron la desintegración de la molécula. Resolvieron este problema reaccionando no en agua, sino en una mezcla de agua y disolventes orgánicos. Los científicos determinaron la proporción óptima de los dos líquidos mediante experimentos de laboratorio y explicaron sus hallazgos mediante cálculos modelo realizados por investigadores de la Universidad de la Sorbona en París.
Primero, la mezcla mantuvo estables las moléculas de fotoácido en solución durante casi un mes. Por otro lado, garantiza que la luz pueda alternar entre soluciones ácidas y alcalinas según sea necesario. Si el disolvente orgánico utilizado por los investigadores no contuviera agua, la reacción sería irreversible.
Otros procesos de captura de carbono también son cíclicos. Un método bien establecido es utilizar filtros para recolectar moléculas de dióxido de carbono a temperatura ambiente. Para eliminar posteriormente el dióxido de carbono del filtro, éste debe calentarse a unos 100 grados Celsius. Sin embargo, tanto la calefacción como la refrigeración consumen mucha energía: representan la mayor parte de la energía necesaria para los métodos de filtración.
"Por el contrario, nuestro proceso no requiere calentamiento ni enfriamiento, por lo que requiere mucha menos energía", afirma Lukatskaya. "No sólo eso, sino que el nuevo método de los investigadores de ETH también puede funcionar solo con la luz solar. Otra cosa interesante acerca de nuestro sistema es que podemos pasar de alcalino a ácido en segundos y volver a alcalino en minutos. Esto nos permite cambiar entre captura y liberación de carbono mucho más rápido que un sistema impulsado por la temperatura".
Con este estudio, los investigadores demostraron que el fotoácido podría usarse para capturar dióxido de carbono en el laboratorio. A continuación, mejorarán aún más la estabilidad de la molécula de fotoácido y la comercializarán. También necesitan estudiar los parámetros de todo el proceso para optimizarlo aún más.
Referencia: "Fotoácidos sintonizados disueltos como interruptores de pH estables impulsados por la luz para la captura y liberación de dióxido de carbono", por Annade Vries, Kateryna Goloviznina, Manuel Reiter, Mathieu Salanne y Maria R. Lukatskaya, 20 de diciembre de 2023, "Química de materiales".
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
Compilado de /scitechdaily