Investigadores de la Universidad Estatal de Oregón han sintetizado nuevas moléculas capaces de capturar rápidamente cantidades significativas de dióxido de carbono del aire, una estrategia importante en la mitigación del cambio climático.
La investigación, que se centró en el peróxido de titanio, se basa en investigaciones anteriores sobre el peróxido de vanadio. La investigación es parte de un esfuerzo federal más amplio para desarrollar nuevos métodos y materiales para la captura directa en el aire del dióxido de carbono producido por la quema de combustibles fósiles.
Los resultados del estudio, dirigido por May Nyman y Carly Bach de la Facultad de Ciencias de OSU, se publicaron hoy. Química de la materia.
En 2021, Nyman, profesor de química Terence Bradshaw en la Facultad de Ciencias, fue seleccionado como líder de uno de los nueve proyectos de captura directa de aire financiados por el Departamento de Energía con una inversión inicial de 24 millones de dólares. Su equipo está explorando cómo ciertos complejos de metales de transición pueden eliminar el dióxido de carbono del aire y convertirlo en carbonatos metálicos, que se encuentran en muchos minerales naturales.
Los metales de transición se encuentran cerca del centro de la tabla periódica y reciben su nombre del movimiento de los electrones desde estados de baja energía a estados de alta energía y viceversa, dando lugar a colores distintivos.
Las instalaciones para filtrar el dióxido de carbono del aire están todavía en sus primeras etapas. La tecnología para mitigar el dióxido de carbono en el punto de entrada a la atmósfera, como en las centrales eléctricas, está más madura. Ambos tipos de captura de carbono serán necesarios si el mundo quiere evitar las peores consecuencias del cambio climático, dicen los científicos.
Actualmente hay en funcionamiento 18 plantas activas de captura directa de aire en Estados Unidos, Canadá y Europa, y se planean 130 adicionales en todo el mundo. Los desafíos de la captura directa de aire incluyen grandes costos y altos requisitos de energía en comparación con trabajar con escapes industriales. Además, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, cuatro partes por millón, es baja, lo que pone en duda la eficacia de los materiales de captura de carbono.
“Elegimos mirar el titanio porque es 100 veces más barato que el vanadio, más abundante, más respetuoso con el medio ambiente y ya está bien establecido en el uso industrial”, dijo Bach, un estudiante graduado en el laboratorio de Nyman. “Está justo al lado del vanadio en la tabla periódica, por lo que planteamos la hipótesis de que el comportamiento de captura de carbono podría ser lo suficientemente parecido al vanadio para ser efectivo”.
Bach, Nyman y el resto del equipo de investigación crearon varias estructuras nuevas de titanato de tetraperxo (un átomo de titanio coordinado con cuatro grupos de peróxido) que muestran diferentes capacidades para eliminar el dióxido de carbono del aire. Las estructuras tetraperoxo tienden a ser altamente reactivas debido al grupo peróxido, que es un fuerte agente oxidante.
Los peroxititanatos relacionados se han estudiado por su uso potencial en catálisis, química ambiental y ciencia de materiales. Sin embargo, los tetraperoxititanatos nunca se sintetizaron específicamente en este estudio; Bach pudo utilizar materiales baratos para reacciones químicas de alto rendimiento.
“Nuestra estructura de captura de carbono favorita que hemos descubierto es el tetraperoxo-titanato de potasio, que además es único porque resulta que también es un peroxosolvato”, dijo Bach. “Esto significa que además de tener enlaces de peróxido con el titanio, también tiene peróxido de hidrógeno en su estructura, lo que creemos que lo hace muy reactivo”.
La capacidad de captura de carbono medida fue de aproximadamente 8,5 mmol de dióxido de carbono por gramo de tetraperoxotitanato de potasio, aproximadamente el doble que el peróxido de vanadio.
“El titanio es un material barato y seguro con una resistencia notablemente alta”, afirmó Bach.
El titanio, que lleva el nombre de los titanes de la mitología griega, es tan fuerte como el acero pero mucho más ligero. No es tóxico, no se degrada fácilmente y es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre: se encuentra en pequeñas cantidades en las rocas, el suelo, las plantas e incluso en el cuerpo humano.
Otros autores del artículo del estado de Oregon incluyeron a los profesores asistentes Tim Juelsdorf y Konstantinos Goulas, el investigador postdoctoral Eduard Garrido Ribeau, los estudiantes graduados Jacob Hirschi, Zhiwei Mao y Mackenzie Nord, y el cristalógrafo Lev Zakharov, director interino de DEAction de OSU.
Murdoch Charitable Trust apoyó esta investigación mediante una subvención de materiales.