El proceso ETH Zurich utiliza la luz solar para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera.

El proceso ETH Zurich utiliza la luz solar para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera.

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La captura de carbono es simple. Capturar un par de miles de millones de toneladas de dióxido de carbono de la atmósfera. Mételo en algún lugar durante un par de siglos. ¡Presto! Las temperaturas globales promedio comenzarán a disminuir y todos podremos volver a nuestro escenario económico de crecimiento ilimitado sin sentirnos culpables. ¡Esto es increíble!

Solo hay un problema. Las tecnologías de captura de carbono que tenemos disponibles en este momento sólo pueden eliminar dióxido de carbono a la vez, y hacerlo cuesta 300 dólares la tonelada. Si esto es lo mejor que los humanos pueden hacer, pasará mucho tiempo antes de que se produzca una caída significativa en la concentración de dióxido de carbono, y todos en la Tierra estarán en bancarrota antes de que las temperaturas comiencen a bajar.

La tecnología que tenemos hoy no es realmente una solución. Los combustibles fósiles son un despilfarro costoso que les da cobertura política para seguir extrayendo y quemando combustibles fósiles como siempre lo han hecho. No sólo eso, sino que consume mucha energía. El abogado dice: “Pish, tosh. Tenemos un exceso de energía renovable que debemos utilizar o se desperdiciará. Sólo podemos usar una parte. ”excepto que no hay excedente renovable y no lo habrá durante varias décadas.

Un innovador proceso de eliminación de dióxido de carbono

Un equipo de investigación de la ETH Zurich dirigido por la profesora Maria Lukatskaya de Sistemas de Energía Electroquímica ha descubierto una manera de aprovechar el hecho de que en los fluidos acuosos ácidos el dióxido de carbono permanece en forma de dióxido de carbono, pero en los fluidos acuosos alcalinos. reacciona para formar sales de ácido carbónico, llamadas carbonatos. Esta reacción química es reversible. La acidez determina si un líquido contiene dióxido de carbono o carbonato.

Para influir en la acidez del líquido, los investigadores añadieron moléculas de fotoácidos que reaccionan a la luz. Cuando se exponen a la luz, esas moléculas acidifican el líquido. Sin embargo, en la oscuridad vuelven a su estado original, volviendo el líquido alcalino. La belleza del proceso es que se puede utilizar la luz solar para crear un cambio químico, eliminando la necesidad de utilizar calor para impulsar el proceso. Aquí hay un resumen de un artículo de investigación publicado por el equipo de investigación en el Journal of the American Chemical Society el 20 de diciembre de 2023.

Los fotoácidos son moléculas orgánicas que liberan protones bajo iluminación, proporcionando una regulación espacio-temporal del pH. Estos interruptores de pH operados por luz ofrecen la capacidad de cambiar cíclicamente el pH del medio y son muy atractivos para una amplia variedad de aplicaciones, incluida la captura de CO2. Aunque los fotoácidos como la merocianina protonada permiten ciclos de pH completamente reversibles en el agua, tienen una estabilidad química limitada frente a la hidrólisis (<24 h). Además, estos fotoácidos tienen baja solubilidad, lo que limita su capacidad de cambio de pH en una solución tampón como el CO2 disuelto.

En este trabajo, presentamos una forma sencilla de aumentar drásticamente la estabilidad y solubilidad de los fotoácidos ajustando su entorno de solución en mezclas de solventes binarios. Mostramos que la solvatación preferencial de merocianina por moléculas de solvente aprótico da como resultado un aumento del 60% en la magnitud de la modulación del pH en comparación con el comportamiento en agua pura y soporta ciclos estables durante> 350 h. Nuestros resultados indican que se puede lograr una alta estabilidad de los fotoácidos de merocianina en mezclas de solventes adecuadas, proporcionando una manera de evitar modificaciones estructurales complejas de las moléculas de fotoácidos y sirviendo como un hito importante para su aplicación en el proceso de captura de CO2 fotoimpulsado.

Captura de dióxido de carbono

Captura de carbon
Crédito: ETH Zúrich

En este nuevo proceso, el aire es forzado a través de un líquido para capturar dióxido de carbono, dicen los investigadores de ETH Zurich. Si el líquido se irradia con luz, el gas de efecto invernadero se libera nuevamente y puede almacenarse. Han desarrollado una mezcla especial de diferentes disolventes para garantizar que las moléculas reactivas a la luz permanezcan estables durante largos períodos de tiempo.
Las tecnologías convencionales de captura de carbono dependen de variaciones de temperatura o presión y requieren mucha energía. Con el nuevo proceso basado en la luz esto ya no es necesario.

Para frenar el ritmo del calentamiento global, debemos reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero. Entre otras cosas, afirman los investigadores, debemos prescindir de los combustibles fósiles y utilizar tecnologías más eficientes desde el punto de vista energético. Sin embargo, la reducción de emisiones por sí sola no es suficiente para alcanzar los objetivos climáticos. Se deben capturar grandes cantidades de dióxido de carbono de la atmósfera y almacenarlas permanentemente bajo tierra o utilizarlas como materia prima neutra en carbono en la industria.

Desafortunadamente, las tecnologías de captura de carbono disponibles hoy en día requieren mucha energía y, en consecuencia, son caras. Por este motivo, los investigadores de la ETH Zurich están desarrollando un nuevo método para utilizar la luz. En el futuro, la energía necesaria para capturar carbono mediante este proceso procederá del sol.

Los investigadores comienzan haciendo pasar aire a través de un líquido que contiene fotoácido en la oscuridad. Debido a que este fluido es alcalino, el dióxido de carbono del aire reacciona con los fotoácidos para formar carbonatos. Tan pronto como las sales del líquido alcanzan niveles significativos, los investigadores irradian el líquido con luz, haciéndolo ácido. Cuando eso sucede, los carbonatos se convierten nuevamente en dióxido de carbono, que se puede recolectar del líquido en burbujas y tanques, tal como lo hace en una botella que contiene agua carbonatada. Cuando ya no queda CO2 en el líquido, los investigadores apagan la luz y el ciclo comienza con el líquido listo para capturar nuevamente el dióxido de carbono.

resolución de problemas

Esa es la teoría, pero en realidad los fotoácidos son inestables en el agua. «Durante nuestros experimentos iniciales, nos dimos cuenta de que las moléculas se desintegran al cabo de un día», afirma Anna de Vries, estudiante de doctorado en el grupo de investigación ETH Zurich y autora principal del estudio. Entonces ella, Lukatskaya y sus colegas analizaron la desintegración de la molécula. Resolvieron el problema realizando su reacción en una mezcla de agua y un disolvente orgánico en lugar de agua. Los científicos pudieron determinar la proporción óptima de los dos líquidos mediante experimentos de laboratorio y gracias a cálculos de modelos realizados por investigadores de la Universidad de la Sorbona de París.

Esta mezcla permitió que las moléculas de fotoácido permanecieran estables en solución durante aproximadamente un mes. Esto aseguró que se pudiera usar la luz para alternar la solución entre ácida y alcalina según fuera necesario. Si el investigador utiliza un disolvente orgánico sin agua, la reacción no se invierte.

Otros procesos de captura de carbono son cíclicos. Un método establecido funciona con filtros que recogen moléculas de CO2 a temperatura ambiente. Posteriormente para eliminar el CO2 de los filtros hay que calentar estos a unos 100ºC. Sin embargo, la calefacción y la refrigeración consumen mucha energía y requieren más energía que el método de filtrado. «Por el contrario, nuestro proceso no requiere calentamiento ni enfriamiento, por lo que requiere menos energía», afirma Lukatskaya. Además, el nuevo método para eliminar el dióxido de carbono funciona únicamente con la luz solar.

«Otro aspecto interesante 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 controlado por temperatura», explica de Vries. En este estudio, los investigadores han demostrado que los fotoácidos se pueden utilizar en el laboratorio para capturar dióxido de carbono. Su siguiente paso en el camino hacia la madurez en el mercado es aumentar aún más la estabilidad de las moléculas de fotoácido. Necesitan investigar todos los parámetros del proceso para optimización adicional.

Llevar

Faltan años para que la investigación tenga aplicaciones comerciales, pero los investigadores deberían sentirse pioneros de los primeros paneles fotovoltaicos que demostraron que era posible generar electricidad a partir de la luz solar. Se necesitaron décadas para que los paneles fotovoltaicos fueran comercialmente viables, y una cantidad de tiempo similar para utilizar la luz solar para extraer dióxido de carbono del aire. Sin embargo, las implicaciones de esta investigación son enormes. Si este sistema puede ampliarse hasta el punto de eliminar cantidades estadísticamente significativas de dióxido de carbono, la humanidad puede estar en camino de evitar que nuestro planeta se convierta en un caldero hirviendo.

Hay algo totalmente apropiado en utilizar la luz solar para ayudar a resolver el problema del cambio climático causado por la quema de combustibles fósiles. Por supuesto, reducir o eliminar el uso de combustibles fósiles es la primera prioridad, pero será muy importante encontrar una manera de eliminar el dióxido de carbono de manera eficiente y económica. Ha comenzado la carrera para ver si los cerebros humanos pueden idear una manera de frenar o revertir el calentamiento global causado por el hombre. Qué deliciosa ironía que la luz del sol pueda ser el catalizador que nos salve de nuestra propia estupidez.


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