Un estudio reciente dirigido por Xi Chen, profesor asociado de ingeniería de la tierra y el medio ambiente en Columbia Engineering, y Klaus Lackner en la Universidad Estatal de Arizona, informa una reacción química reversible no convencional en un nanoambiente confinado. El descubrimiento, un hito en la aclaración de los fundamentos científicosde la reacción química de oscilación de humedad, es fundamental para comprender cómo depurar el CO 2 de la atmósfera de la Tierra, y los investigadores ya lo han usado para capturar CO 2 más eficientemente y a un costo mucho más bajo que otros métodos.
El agua es el jugador clave en este nuevo estudio. El grupo descubrió que reducir las cantidades de agua en el nanoconfinado podría promover los iones CO32- carbonato para hidrolizar H2O en una mayor cantidad de iones OH- hidróxido. Este descubrimiento también llevó al equipopara encontrar un nuevo CO nanoestructurado 2 sorbente un material utilizado para absorber o adsorber líquidos o gases que también une CO 2 espontáneamente en el aire ambiente cuando el entorno está seco, mientras lo libera cuando está expuesto a la humedad. El trabajo fue publicado en Angewandte Chemie en febrero de 2016.
"El agua confinada en poros nanoscópicos es esencial para determinar la energía de muchos sistemas químicos, físicos, biológicos y ambientales", dice Chen. "Nuestro hallazgo arroja luz sobre una gran cantidad de procesos químicos en la nanoconfinación al tiempo que da lugar a unamplia gama de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, podemos convertir este nuevo sorbente eficiente de absorción a desorción simplemente usando agua, que está fácilmente disponible y a muy bajo costo. Los materiales sorbentes actuales consumen una gran cantidad de energía, por lo que nuestro descubrimiento podríaconducir a absorbentes de conservación de energía más baratos y más eficientes. Y si podemos lograr estándares de emisión de carbono negativos, habremos inventado una solución de nanomateriales para un desafío global crítico ".
Encontrar un absorbente eficiente ha sido durante mucho tiempo un desafío para la mayoría de los procesos de absorción y desorción. Un CO exitoso 2 el absorbente debe tener una cinética de reacción rápida la velocidad de los procesos químicos, ser de bajo costo y poder regenerarse con una barrera de baja energía para completar todo el CO 2 ciclo de captura-liberación. Chen señala que, que él sepa, todos los CO anteriores 2 los absorbentes han requerido una gran barrera de energía para regenerarse y, por lo tanto, no son muy eficientes, consumen más energía extra para regenerarse. El mecanismo de la reacción química de oscilación de la humedad en los nanoporos conducirá a nuevas clases de sorbentes impulsados por el agua: evaporación en el ambienteEl aire a través de la energía solar conduce al sorbente a absorber CO 2 a medida que se seca y la hidratación libera CO 2 cuando está mojado
"Con el agua como disparador, nuestro costo de energía de todo el CO 2 el ciclo de captura es muy pequeño ", agrega Chen," y eso hace que la aplicación a gran escala sea muy prometedora por primera vez "
Chen, cuya investigación se centra en la mecánica de los materiales nanoporosos, ha estado interesado durante mucho tiempo en estudiar las interacciones fundamentales entre el agua y los iones en un espacio confinado. Cuando se limita a los nanoporos, el enlace de hidrógeno del agua y los iones cambia y esto afecta tanto a losestructura física y dinámica de las moléculas de agua y la transferencia de energía química a través de la formación de complejos de agua altamente estructurados.
"El agua es la sustancia más mágica del mundo: produce vida", dice Chen, quien trabajó en el estudio con Klaus S. Lackner, anteriormente en Columbia Engineering y ahora director del Centro de Emisiones de Carbono Negativo y profesoren la Universidad Estatal de Arizona. "Su enlace de hidrógeno es increíblemente fuerte, excepto, como descubrimos, cuando tienes un ambiente muy pequeño con muy pocas moléculas. Entonces todo cambia y pudimos revertir las reacciones químicas cuando el número de moléculas de aguacayó por debajo de aproximadamente 10. "
El equipo de Chen realizó experimentos para controlar la humedad en el material nanoporoso y descubrió que la energía libre de la hidrólisis de CO32- en los nanoporos se reduce con una disminución de la disponibilidad de agua. Este proceso promueve la formación de OH-, que tiene una alta afinidad porCO 2 . También encontraron que este efecto de sorción impulsado por la humedad no se limita al carbonato / bicarbonato, sino que también se puede extender a una serie de iones y, por lo tanto, el estudio abre un nuevo enfoque para la tecnología de separación de gases.
"Este es un trabajo sobresaliente", comenta Agustin J. Colussi, científico principal del Centro Linde de Ciencias Ambientales Globales, Instituto de Tecnología de California, que no participó en el estudio ". Reporta experimentos convincentes, proporciona una explicación novedosapara obtener resultados contraintuitivos y, por lo tanto, abre el vasto alcance de la nueva química en agua nanoconfinada "
Chen y su equipo, que incluye a sus estudiantes de doctorado Xiaoyang Shi el autor principal del estudio y Hang Xiao segundo autor, planean explorar las influencias de una variedad de parámetros, que incluyen el tamaño de los poros, el espaciamiento de los iones y la hidrofobia de la superficie, en su CO impulsado por agua 2 captura absorbente, para diseñar un CO de captura de aire directo más eficiente 2 sistema
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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