Un elemento químico tan visualmente impactante que lleva el nombre de una diosa muestra un nivel de reactividad "Ricitos de oro", ni demasiado ni muy poco, que lo convierte en un fuerte candidato como herramienta de limpieza de carbono.
El elemento es vanadio, y una investigación realizada por científicos de la Universidad Estatal de Oregón, publicada en Chemical Science , ha demostrado la capacidad de las moléculas de peróxido de vanadio para reaccionar y unirse al dióxido de carbono, un paso importante hacia tecnologías mejoradas para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera.
El estudio es parte de un esfuerzo federal de $24 millones para desarrollar nuevos métodos para la captura directa en el aire, o DAC, de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero que se produce por la quema de combustibles fósiles y está asociado con el cambio climático.
Han comenzado a surgir instalaciones que filtran el carbono del aire en todo el mundo, pero todavía están en su infancia. Las tecnologías para mitigar el dióxido de carbono en los puntos de entrada a la atmósfera, como las centrales eléctricas, están mejor desarrolladas. Es probable que ambos tipos de captura de carbono sean necesarios si la Tierra quiere evitar los peores resultados del cambio climático, afirman los científicos.
En 2021, May Nyman, del estado de Oregón, profesora de química Terence Bradshaw en la Facultad de Ciencias, fue elegida líder de uno de los nueve proyectos de captura directa de aire financiados por el Departamento de Energía. Su equipo está explorando cómo algunos complejos de metales de transición pueden reaccionar con el aire para eliminar el dióxido de carbono y convertirlo en un carbonato metálico, similar a lo que se encuentra en muchos minerales naturales.
Los metales de transición se encuentran cerca del centro de la tabla periódica y su nombre surge de la transición de los electrones de estados de baja energía a estados de alta energía y viceversa, dando lugar a colores distintivos. Para este estudio, los científicos aterrizaron en vanadio, llamado así por Vanadis, el antiguo nombre nórdico de la diosa escandinava del amor que se decía que era tan hermosa que sus lágrimas se convertían en oro.
Nyman explica que el dióxido de carbono existe en la atmósfera con una densidad de 400 partes por millón. Eso significa que por cada millón de moléculas de aire, 400 de ellas son dióxido de carbono, o el 0,04%.
"Un desafío con la captura directa de aire es encontrar moléculas o materiales que sean lo suficientemente selectivos, u otras reacciones con moléculas de aire más abundantes, como reacciones con agua, superarán la reacción con CO2 ", dijo Nyman. "Nuestro equipo sintetizó una serie de moléculas que contienen tres partes que son importantes para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, y trabajan juntas".
Una parte era vanadio, llamado así debido a la gama de hermosos colores que puede exhibir, y otra parte era peróxido, que se unía al vanadio. Debido a que una molécula de peróxido de vanadio tiene carga negativa, necesitaba cationes alcalinos para equilibrar la carga, dijo Nyman, y los investigadores utilizaron cationes alcalinos de potasio, rubidio y cesio para este estudio.
Añadió que los colaboradores también intentaron sustituir el vanadio por otros metales del mismo vecindario en la tabla periódica.
"El tungsteno, el niobio y el tantalio no fueron tan efectivos en esta forma química", dijo Nyman. "Por otro lado, el molibdeno era tan reactivo que a veces explotaba."
Además, los científicos sustituyeron los álcalis por amonio y tetrametilamonio, el primero de los cuales es ligeramente ácido. Esos compuestos no reaccionaron en absoluto, un enigma que los investigadores aún están tratando de comprender.
"Y cuando eliminamos el peróxido, nuevamente no hubo tanta reactividad", dijo Nyman. "En este sentido, el peróxido de vanadio es un hermoso Ricitos de Oro de color púrpura que se vuelve dorado cuando se expone al aire y se une a una molécula de dióxido de carbono".
Ella señala que otra característica valiosa del vanadio es que permite una temperatura de liberación comparativamente baja de aproximadamente 200 °C para el dióxido de carbono capturado.
"Eso se compara con casi 700°C cuando se une a potasio, litio o sodio, otros metales utilizados para la captura de carbono", dijo. "Poder volver a liberar el CO2 capturado permite la reutilización de los materiales de captura de carbono, y cuanto menor sea la temperatura requerida para hacerlo, menos energía se necesitará y menor será el costo. Ya se están implementando algunas ideas muy inteligentes sobre la reutilización del carbono capturado; por ejemplo, canalizar el CO2 capturado. en un invernadero para cultivar plantas."
Otros autores del artículo del estado de Oregón fueron Tim Zuehlsdorff, profesor asistente de química teórica/física, y el investigador postdoctoral Eduard Garrido.
"También estoy muy orgulloso del arduo trabajo de los estudiantes graduados de mi laboratorio, Zhiwei Mao y Karlie Bach, y del estudiante universitario Taylor Linsday", dijo Nyman. "Esta es un área completamente nueva para mi laboratorio, así como para Tim Zuehlsdorff, quien supervisó al estudiante de doctorado Jacob Hirschi en los estudios computacionales para explicar los mecanismos de reacción. Iniciar una nueva área de estudio implica muchas incógnitas". P>
Más información: Eduard Garrido Ribó et al, Implementación de peróxidos de vanadio como materiales de captura directa de carbono en el aire, Ciencia Química (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D
Proporcionado por la Universidad Estatal de Oregón
