El calentamiento global se ha atribuido al fuerte aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero que atrapan el calor, en particular CO2 emisiones. Tecnología de captura de carbono, como el uso de adsorbentes para capturar y almacenar CO2 del aire ambiente, es una solución prometedora para mitigar las emisiones.
Los sorbentes líquidos se utilizan tradicionalmente para la captura de carbono, pero sufren de corrosión del equipo, alto costo y altos requisitos de energía para la regeneración. Para superar estas limitaciones, se utilizan materiales sólidos porosos para el CO2 adsorción:en la que CO2 Los átomos se adhieren a la superficie del material sólido.
En su investigación sobre captura de carbono, el profesor asociado Wu Ping de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) recurrió a la mica, un mineral arcilloso barato y abundante con diversas aplicaciones.
La mica forma capas de silicato de alúmina en forma de láminas conectadas por cationes de potasio entre capas a través de enlaces iónicos. Sin embargo, la estructura compleja dificulta la separación de la mica en una o pocas capas para formar nanohojas bidimensionales (2D) que sean propicias para el CO2. captura. Los métodos desarrollados en estudios anteriores también han requerido largos tiempos de reacción y un alto consumo de energía.
Para desarrollar un método eficaz para producir nanohojas de mica 2D, el profesor asociado Wu y su equipo del SUTD colaboraron con investigadores de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR). Publicaron su artículo de investigación "Síntesis eficiente de nanohojas de mica 2D mediante técnicas solvotérmicas y asistidas por microondas para CO2 aplicaciones de captura" en Materiales.
"Aprovechando nuestros recientes avances en mecanoquímica, hemos combinado de manera innovadora las técnicas de la química de microondas y la mecanoquímica solvotérmica. Aprovechando la energía de las microondas y los procesos solvotérmicos, pudimos convertir esta energía en energía de deformación dentro de las interfaces sólido-líquido-gas. facilitar la síntesis de nanohojas de mica exfoliada (eMica). Estas acciones dan como resultado una exfoliación rápida y un tiempo de reacción significativamente reducido", explicó el profesor asociado Wu.
El equipo de investigación combinó mica natural con hidróxido de potasio en un disolvente polar dentro de un recipiente de reacción cerrado. Luego, esta reacción se calentó en un microondas, transfiriendo energía al disolvente polar que absorbe las microondas y a los reactivos. Junto con la presión autogenerada dentro del recipiente, la mica se exfoliaba rápidamente con un tiempo de reacción significativamente reducido. Luego se sonicó la mica tratada con microondas para expandir y separar aún más las capas. Después de varias rondas de purificación, el equipo había sintetizado nanohojas de eMica.
En comparación con la mica a granel, las capas de nanohojas de eMica son más uniformes en tamaño y grosor lateral. Además, las nanohojas de eMica exhiben una disposición atómica ordenada, lo que indica su alta calidad y defectos mínimos.
El profesor asociado Wu y su equipo investigaron a continuación el potencial de las nanoláminas para la producción de CO2. aplicaciones de captura. Descubrieron que el CO2 La capacidad de adsorción de las nanohojas de eMica fue un 87% mayor que la de la mica a granel. Aunque otros tipos de materiales de adsorción en la literatura han demostrado una mayor capacidad, las nanohojas de eMica aún superaron a otros minerales arcillosos que han sido modificados para capturar carbono.
El CO2 superior La capacidad de adsorción de las nanohojas de eMica se puede atribuir a una alta superficie específica y a la porosidad entre sus capas expandidas. La superficie específica de este material 2D había aumentado más de cinco veces, de 29,1 m 2 /g de mica a granel hasta 171,3 m 2 /g en las nanohojas. La porosidad de las nanohojas también fue dramáticamente mayor, con un volumen de poros que se multiplicó por siete, de 0,145 cc/g en mica a granel a 1,022 cc/g en nanohojas de eMica.
CO2 La adsorción también podría haber sido impulsada por depósitos de carbonato de potasio (K2 CO3 ) en las nanohojas, que se forman cuando los cationes de potasio en la mica reaccionan con agua y CO2 en el aire. El equipo apoyó esta hipótesis con simulaciones por computadora que demostraron un K2 CO3 monocapa de mica depositada que supera tanto a la mica a granel como a una monocapa de mica en CO2 adsorción.
Mecánicamente, CO2 Es capturado por las nanohojas de eMica principalmente a través de adsorción física, formando atracciones electrostáticas más débiles con la superficie. Esto contrasta con los enlaces iónicos más fuertes que se forman cuando el CO2 se absorbe químicamente en la superficie de la nanolámina, lo que ocurre en menor medida. Este mecanismo predominante de fisisorción permitiría una absorción más sencilla del CO2. desorción y regeneración de las nanohojas de eMica.
El equipo de investigación descubrió que las nanohojas podían mantener una fuerte capacidad de adsorción cuando se sometían a pruebas cíclicas de adsorción/desorción, lo que demuestra la recuperabilidad y estabilidad de las nanohojas de eMica. El profesor asociado Wu cree que esta investigación será de interés para el sector de generación de energía, las agencias reguladoras y medioambientales y otros investigadores que buscan nuevos materiales y tecnologías para el CO2. captura. Además, su investigación contribuye a los planes de sustentabilidad del SUTD.
"CO2 La captura es un aspecto importante de la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero, un área de enfoque clave para la estrategia de sostenibilidad de SUTD. Nuestro trabajo en el desarrollo de un método de síntesis eficiente se alinea con el énfasis de la universidad en operaciones sustentables, así como en educación e investigación sustentables", comentó.
En el futuro, Assoc Prof Wu tiene como objetivo desarrollar un método escalable de exfoliación de mica y explorar las aplicaciones de la mica para la purificación del agua.
"La fabricación escalable de materiales 2D utilizando métodos sostenibles y rentables podría tener implicaciones significativas para la industria y la sociedad, como la reducción de las emisiones de carbono y la mejora de la eficiencia energética. En general, esperamos que esta investigación avance en nuestra comprensión de los materiales 2D y su potencial. aplicaciones y contribuir al desarrollo de tecnologías sostenibles e innovadoras", afirmó.
Más información: P. Vishakha T. Weerasinghe et al, Síntesis eficiente de nanohojas de mica 2D mediante técnicas solvotérmicas y asistidas por microondas para aplicaciones de captura de CO2, Materiales (2023). DOI:10.3390/ma16072921
Proporcionado por la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur
