Encontrar formas de capturar, almacenar y utilizar dióxido de carbono (CO2 ) sigue siendo un problema global urgente. A medida que las temperaturas continúan aumentando, el CO2 entren a la atmósfera puede ayudar a limitar el calentamiento donde todavía se necesitan combustibles a base de carbono.
Se han logrado avances significativos en la creación de tecnologías de captura de carbono prácticas y asequibles. Los líquidos que capturan carbono, denominados disolventes cuando están presentes en abundancia, pueden capturar CO2 de manera eficiente. moléculas de centrales eléctricas alimentadas con carbón, fábricas de papel y otras fuentes de emisión. Sin embargo, todos estos funcionan a través de la misma química fundamental, o eso es lo que los investigadores han asumido.
En un nuevo trabajo publicado en Nature Chemistry , los científicos se sorprendieron al descubrir que un disolvente conocido es incluso más prometedor de lo que se había previsto inicialmente. Nuevos detalles sobre la estructura subyacente del disolvente sugieren que el líquido podría contener el doble de CO2 como se pensaba anteriormente. La estructura recientemente revelada también podría ser la clave para crear un conjunto de materiales a base de carbono que podrían ayudar a retener aún más CO2. fuera de la atmósfera.
El equipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) desarrolló el solvente hace varios años y lo ha estudiado en una variedad de escenarios. El equipo ha trabajado para reducir los costos de uso del solvente y aumentar su eficiencia. El año pasado, revelaron el sistema de captura de carbono menos costoso hasta la fecha. Fue durante esta investigación que el equipo notó algo extraño.
"Estábamos tratando de hacer un tipo diferente de separación de gases a alta presión", dijo David Heldebrant, químico del PNNL y coautor para correspondencia. "Vimos que la solución se volvió significativamente más espesa y apareció un nuevo pico en nuestros espectros, lo que indicaba que se había formado algo nuevo. Fue totalmente inesperado y sabíamos que teníamos que llegar al fondo del asunto".
Heldebrant se acercó a sus colaboradores de la Universidad Claude Bernard Lyon 1 y de la Universidad de Texas en El Paso para ayudar a desenredar los cambios moleculares detrás de los resultados.
"Este trabajo es un esfuerzo verdaderamente interdisciplinario y colaborativo", dijo José Leobardo Bañuelos, profesor de la Universidad de Texas en El Paso. "Las preguntas que necesitábamos hacer requerían más de un solo tipo de experiencia. Observamos la estructura general del solvente cuando se expone al CO2 y vimos sustancialmente más orden de lo que esperábamos."
Al parecer, las moléculas se estaban agrupando cuando deberían estar emparejadas. Pero ¿qué significaron las nuevas estructuras ordenadas?
Cuando el equipo echó un nuevo vistazo al disolvente CO2 Utilizando herramientas de química analítica, detectaron grupos autoensamblados de moléculas de disolvente. Al principio, los investigadores intentaron ajustar los datos a un modelo utilizando sólo dos moléculas de disolvente. A pesar de sus expectativas iniciales, los datos simplemente no encajaban.
Cuando los investigadores utilizaron un modelo con cuatro moléculas de disolvente, los resultados coincidieron. En realidad, un grupo de cuatro componentes era la forma del disolvente que el equipo había estado observando. La estructura flexible puede sufrir una serie de cambios para adaptarse al CO2 entrante. moléculas. El CO2 eventualmente llega al núcleo del grupo, donde se encuentra un sitio activo que puede ser similar a los que existen dentro de las enzimas. De hecho, la estructura general del grupo y las interacciones parecen parecerse a las proteínas.
El bolsillo de unión al sitio activo está en el centro de la química recién observada. Normalmente, los sistemas de captura de carbono funcionan con un único CO2 Molécula que se une y puede reaccionar para formar algo diferente. Tener todo restringido a reacciones que involucran un CO2 limita los próximos pasos de la conversión de carbono. El clúster permite algo diferente.
El pico inesperado que el equipo encontró originalmente corresponde a la formación de una nueva especie que incluye dos moléculas diferentes de CO2 . Los clusters incorporan CO2 paso a paso, primero capturando y activando una molécula seguida de la segunda. Los datos muestran un efecto cooperativo:tener una molécula de CO2 unido cambia la forma en que se une la segunda molécula.
"Estamos muy entusiasmados con las nuevas posibilidades de diseño con solventes que esto abre", dijo Heldebrant. "Si podemos encontrar maneras de construir intencionalmente una cooperación que aumente las emisiones de CO2 vinculante, podríamos cambiar la forma en que operan los sistemas de captura de carbono".
Una vez que ambos CO2 Las moléculas que están dentro del grupo pueden reaccionar entre sí, creando diferentes moléculas basadas en carbono que podrían ampliar los usos potenciales del CO2 capturado. .
"Lo que estamos haciendo aquí es cambiar una variable importante en el proceso", afirmó Heldebrant. "Históricamente hemos capturado cada CO2 por sí mismo. Uniendo dos CO2 juntos podrían ayudarnos a duplicar efectivamente la capacidad de almacenamiento de nuestros sistemas de captura."
Las moléculas recién conectadas tienen propiedades muy diferentes a las del CO2 . Esto cambia la química necesaria para separar el carbono capturado del disolvente. Estos CO2 Las moléculas basadas en CO2 son más grandes y representan un primer paso hacia la creación de CO2. -polímeros ricos.
Un problema persistente con el carbono capturado es qué hacer con él. Mientras que el almacenamiento a largo plazo de CO2 es una opción, presenta desafíos logísticos y puede agregar costos a un proceso de captura que ya es costoso. Encontrar formas de convertir el CO2 capturado en productos económicamente valiosos podría ayudar a compensar los costos de captura y proporcionar un paso hacia un ciclo cerrado del carbono.
Al unir dos CO2 moléculas juntas durante el paso de captura inicial, este trabajo presenta una nueva forma de abordar la conversión y utilización del carbono. En lugar de empezar con CO2 , los investigadores podrían tener diferentes opciones para crear nuevas sustancias químicas. Esto abre las puertas a diferentes tipos de química que antes se consideraban poco realistas para el CO2. conversión. Estos posibles próximos pasos sólo son posibles centrándose en la ciencia fundamental detrás de la captura de carbono.
"Es muy urgente implementar sistemas de captura de carbono", afirmó Julien Leclaire, profesor de la Universidad Claude Bernard Lyon 1 y coautor correspondiente del artículo. "No siempre exploramos los detalles a escala molecular de estos procesos debido a su complejidad. Pero a veces podemos encontrar ideas que conectan el comportamiento molecular y a gran escala".
Además de Heldebrant, los investigadores del PNNL incluyen a Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo y Jaelynne King. Además de Leclaire, los investigadores de la Universidad Claude Bernard Lyon 1 incluyen a Jean Septavaux y Marc Hennenbelle.
Más información: Julien Leclaire et al, El autoensamblaje tetramérico de disolventes pobres en agua permite la captura química de CO2 a base de anhídrido carbamato, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01495-z
Información de la revista: Química de la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
