Material sencillo y económico para la captura de carbono, probablemente de los tubos de escape.

Usando un polímero económico llamado melamina, el componente principal de Formica, los químicos han creado una forma económica, fácil y eficiente de energía para capturar el dióxido de carbono de las chimeneas, un objetivo importante de los Estados Unidos y otros países en su búsqueda para reducir los gases de efecto invernadero. emisiones

El proceso de fabricación de la melamina, que se publicó esta semana en la revista progreso de la ciencia, se puede reducir para capturar las emisiones de los gases de escape de los vehículos u otras fuentes de dióxido de carbono transmitidas. El dióxido de carbono procedente de la combustión de combustibles fósiles constituye aproximadamente el 75% de todos gases de invernadero Producido en los Estados Unidos

los nuevo material Fácil de hacer, requiere principalmente polvo de melamina disponible, que hoy cuesta alrededor de $ 40 por tonelada, junto con formaldehído y ácido cianúrico, un químico que, entre otros usos, se agrega junto con el cloro a las piscinas.

“Queríamos pensar en un Captura de carbon Material derivado de fuentes que eran muy baratas y fáciles de obtener. Por lo tanto, decidimos comenzar con la melamina”, dijo Jeffrey Reimer, profesor de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de California, Berkeley, y uno de los autores de la investigación.

La llamada malla de melamina porosa captura CO2 con una eficiencia similar a los primeros resultados de otro material de captura de carbono relativamente reciente, MOF o MOF. Químicos de UC Berkeley crearon el primer químico de este tipo MOF para la captura de carbono En 2015 y Versiones posteriores Han demostrado ser más eficientes para eliminar el dióxido de carbono de los gases de combustión, como los que se encuentran en una central eléctrica alimentada con carbón.

Pero Haiyan Mao, becario postdoctoral de UC Berkeley y primer autor del artículo de investigación, dijo que los materiales a base de melamina usan ingredientes que son mucho más baratos, más fáciles de fabricar y más eficientes energéticamente que la mayoría de los MOF. El bajo costo de la melamina porosa significa que el material se puede implementar a gran escala.

“En este estudio, nos enfocamos en diseñar materiales más baratos para la captura y el almacenamiento y dilucidar el mecanismo de reacción del CO₂ «Este trabajo crea un método de fabricación general hacia el CO2 sostenible», dijo Mao.₂ Captura mediante redes porosas. Con suerte, podremos diseñar un accesorio futuro para capturar los gases de escape de los automóviles, tal vez un accesorio para un edificio o incluso pintura en la superficie de los muebles”.

El trabajo es una colaboración entre un grupo de UC Berkeley dirigido por Reimer. un grupo en Stanford dirigido por Yi Kui, director del Precourt Energy Institute, profesor invitado Sumorgay Miller en UC Berkeley y becario postdoctoral en UC Berkeley; Alexander Baynes, profesor de la Escuela de Graduados en Educación de UC Berkeley; y un grupo de la Universidad Texas A&M dirigido por Hong Kai Chu. Jing Tang, becario postdoctoral en la Universidad de Stanford y el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford y académico visitante en UC Berkeley, es coautor junto con Mao.

Carbono neutralidad para 2050

Si bien eliminar la quema de combustibles fósiles es esencial para detener el cambio climático, la principal estrategia temporal es capturar las emisiones de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, y almacenar el gas bajo tierra o convertir el dióxido de carbono.₂ en productos utilizables. El Departamento de Energía de EE. UU. ya ha anunciado proyectos por un total de $ 3.18 mil millones para avanzar en tecnologías avanzadas y escalables comercialmente para la captura, utilización y secuestro de carbono (CCUS) para alcanzar un gas de combustión ambicioso.₂ Meta de eficiencia de captura del 90%. El objetivo final para los Estados Unidos es cero emisiones netas de carbono para 2050.

Pero el secuestro de carbono está lejos de ser comercialmente viable. La mejor tecnología actual incluye tubos gases de combustión A través de aminas líquidas que se unen al dióxido de carbono.₂. Pero esto requeriría grandes cantidades de energía para liberar dióxido de carbono una vez que se une a las aminas, de modo que pueda concentrarse y almacenarse bajo tierra. La mezcla de aminas debe calentarse entre 120 y 150 °C (250-300 °F) para regenerar el dióxido de carbono.₂.

En cambio, la malla porosa de melamina con DETA y ácido cianúrico modificado captura CO₂ a unos 40 °C, ligeramente por encima de la temperatura ambiente, y liberarlo a 80 °C, por debajo del punto de ebullición del agua. El ahorro de energía proviene de no tener que calentar el material a altas temperaturas.

En su investigación, el equipo de Berkeley/Stanford/Texas se centró en el polímero común de melamina, que se utiliza no solo en la fórmica sino también en vajillas, utensilios baratos, pintura industrial y otros plásticos. El tratamiento del polvo de melamina con formaldehído, que los investigadores hicieron en cantidades de kilogramos, crea nanoporos en la melamina que los investigadores pensaron que absorbería el dióxido de carbono.₂.

Mao dijo que las pruebas confirmaron que la melamina tratada con formaldehído absorbe dióxido de carbono₂ Hasta cierto punto, pero la adsorción se puede mejorar mucho agregando otra sustancia química que contenga una amina, DETA (dietilentriamina), para unir el dióxido de carbono.₂. Ella y sus colegas descubrieron más tarde que la adición de ácido cianúrico durante la reacción de polimerización aumenta drásticamente el tamaño de los poros y mejora drásticamente el dióxido de carbono.₂ Eficiencia de captura: Casi todo el CO2 se absorbió en la mezcla de gases de combustión simulada en aproximadamente 3 minutos.

La adición de ácido cianúrico también permitió que la sustancia se usara una y otra vez.

Mao y sus colegas llevaron a cabo un caso sólido Resonancia magnética nuclear (NMR) para comprender cómo interactúan el ácido cianúrico y DETA para hacer que la captura de carbono sea altamente eficiente. Los estudios han demostrado que el ácido cianúrico forma fuertes enlaces de hidrógeno con la red de melamina que ayuda a estabilizar a Dita, evitando que se escape de los poros de melamina durante los ciclos repetidos de captura y renovación de carbono.

“Lo que Haiyan y sus colegas han podido mostrar usando estos métodos elegantes es exactamente cómo se mezclan estos grupos y cómo exactamente CO₂ interactuar con él, y que en presencia de ácido cianúrico que abre los poros, puede hacer circular dióxido de carbono₂ “Funciona y se detiene varias veces con una capacidad realmente buena”, dijo Reimer, y la tasa de CO2₂ adsorbe es realmente muy rápido, en relación con otras sustancias. Por lo tanto, todos los aspectos prácticos a escala de laboratorio de esta sustancia para CO₂ Está logrado, y es muy barato y fácil de hacer».

“Usando técnicas de RMN de estado sólido, hemos dilucidado sistemáticamente con un detalle sin precedentes a nivel atómico el mecanismo de interacción de las redes amorfas con el dióxido de carbono.₂dijo Mao. Para la comunidad de la energía y el medioambiente, este trabajo crea una familia de redes de estado sólido de alto rendimiento combinada con una comprensión integral de los mecanismos, pero también fomenta el desarrollo de prueba y error de métodos de investigación de materiales porosos para la investigación paso a paso. modificación racional a nivel atómico”.

Los grupos Reimer y Cui continúan modificando el tamaño de poro y los grupos amina para mejorar la eficiencia de captura de carbono en melamina Rejillas porosas, manteniendo la eficiencia energética. Esto implica el uso de una técnica llamada química de síntesis dinámica para alterar las proporciones de los ingredientes para lograr CO2 reciclable eficiente y de alta capacidad.₂ levantar.

Reimer y Mao también colaboraron estrechamente con Cui Group en Stanford para sintetizar otros tipos de materiales, incluidos Nanomembranas jerárquicas– Una clase de nanocompuestos fusionados con una esfera de carbono y óxido de grafeno – y nano carbono jerárquico Fabricado en madera de pino para absorber el dióxido de carbono. La RMN de estado sólido fue desarrollada específicamente por Reimer para caracterizar el mecanismo por el cual los sólidos interactúan Dióxido de carbonocon el fin de diseñar mejores materiales para carbón Cógelo del entorno y almacena energía. Cui ha desarrollado una plataforma sólida y sostenible de estado sólido y tecnologías de fabricación para crear nuevos materiales para abordar el cambio climático y el almacenamiento de energía.