Químicos de la UCLA informan de un nuevo avance en la reducción de las emisiones de este gas.

Por Stuart Wolpert (UCLA News Room).
Traducción de Francisco Javier Vaamonde Prieto (HistoriaNatural.net).

Los científicos han demostrado que pueden aislar y capturar  dióxido de carbono de forma satisfactoria, un gas que contribuye al calentamiento global, la elevación de los niveles marinos y al incremento de la acidez de los océanos. Sus descubrimientos podrían llevar a la fabricación de plantas de generación energía que capturen dióxido de carbono de forma eficiente sin el empleo de materiales tóxicos.

Según Omar M. Yaghi, profesor de química en la UCLA y coautor del informe científico “el desafío técnico de eliminar selectivamente el dióxido de carbono ha sido superado”. “Hemos demostrado que ahora contamos con estructuras que pueden ser adaptadas de forma precisa para capturar del dióxido de carbono y almacenarlo como depósito. Nada del dióxido de carbono se escapa. Nada, a no ser que así se pretenda. Creemos que se trata de algo crucial  para retener el dióxido de carbono antes de que alcance la atmósfera”.

El dióxido de carbono se captura empleando una nueva clase de materiales diseñados por Yaghi y su grupo, denominados armazones zeolíticos de imidazolato o ZIFs (por sus siglas en inglés: “Zeolitic Imidazolate Frameworks”). Se trata de estructuras químicamente robustas y porosas, con una gran superficie de contacto, que pueden ser calentadas a altas temperaturas sin descomponerse, y hervirse en agua o disolventes orgánicos durante una semana y permanecer todavía estables.

Rahul Banerjee, investigador posdoctoral de química de la UCLA, y Anh Phan, estudiante de grado en química, ambos de la UCLA e integrantes del equipo de laboratorio de Yaghi, sintetizaron 25 estructuras cristalinas ZIF, y demostraron que tres de ellas poseen una alta selectividad para la captura de dióxido de carbono (ZIF-68, ZIF-69 y ZIF-70).

“La selectividad de los ZIFs respecto al dióxido de carbono no tiene paralelo en ningún otro material”, según indica Yaghi, quien dirige el Centro de Química reticular de la UCLA y es miembro del Instituto de Nanosistemas de California, situado también en la UCLA. “Rahul y Anh tuvieron tanto éxito en la fabricación de nuevos ZIFs que, con vistas a informar de los resultados, tuve que pedirles que parasen”.

El interior de un ZIF puede almacenar moléculas de gas. Se comporta de forma parecida a una puerta giratoria permitiendo a determinadas moléculas, en este caso el dióxido de carbono, atravesarla y quedar en depósito, mientras bloquean moléculas mayores o de formas diferentes.

“Podemos seguir y seleccionar el tipo específico de molécula que queremos capturar”, comenta Phan. “La belleza de la química está en que tenemos la libertad de escoger qué clase de puerta queremos y controlar qué la cruza”.

“La captura de dióxido de carbono crea energía más limpia”, comenta Yaghi. “Los ZIF de un filtro para humos podrían atrapar el dióxido de carbono en sus poros para su confinamiento en espacios de almacenamiento geológico”.

En los ZIFs 68, 69 y 70, Banerjee y Phan vaciaron los poros, creando un armazón abierto. Después sometieron el material a corrientes de gases, por ejemplo dióxido de carbono y monóxido de carbono, y otro flujo de dióxido de carbono y nitrógeno, siendo capaces de capturar únicamente el dióxido de carbono. Otros ZIFs están siendo probados para aplicaciones diversas.

Según señala Yaghi, el dióxido de carbono es responsable de la muerte de arrecifes coralinos y  fauna marina, daño que será irreversible al menos durante muchos siglos.

En la actualidad el proceso de captura de las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de generación de energía implica la utilización de materiales tóxicos y necesita entre un 20 y un 30 por ciento de la salida de energía de la planta, indica. Por el contrario, los ZIFs pueden arrancar el dióxido de carbono emitido de otros gases, y almacenar cinco veces más dióxido de carbono que los materiales porosos de carbono más avanzados hoy en día.

“Por cada litro de ZIF, puedes retener 83 litros de dióxido de carbono”, indica Banerjee.

La palabra “zif”, señala Yaghi, es utilizada en la Biblia para describir una región con esplendor. También se emplea para algo atractivo o brillante. Este nombre encaja con esta nueva clase de materiales, comenta, porque sus miembros son numerosos y de una estructura bastante hermosa.

También, y en un nivel fundamental, la invención de los ZIFs ha dirigido dos cambios importantes en la ciencia de las zeolitas. Las zeolitas son minerales estables y porosos hechos de aluminio, silicio y oxígeno que se emplean en el refinado del petróleo y son utilizados en detergentes y otros productos. El grupo de Yaghi ha tenido éxito en sustituir lo que habría tenido que ser aluminio o silicio con iones metálicos como zinc y cobalto, y el oxígeno que actúa como puente de unión con imidazolato para producir compuestos ZIF, cuyas estructuras pueden ser ahora diseñadas tanto en tamaño como en funcionalidad.

Banerjee y Anh automatizaron el proceso de síntesis. En lugar de mezclar los compuestos químicos en una reacción cada vez, realizando quizá varias reacciones cada día, fueron capaces de producir 200 reacciones en menos de una hora. Realizaron 9.600 microreacciones y a partir de ellas descubrieron 25 estructuras nuevas.

“Seguimos produciendo nuevos cristales de ZIFs cada día”; comenta Banerjee. “Esas reacciones producen cristales tan hermosos como los diamantes”.

Los coautores del informe son Bo Wang, estudiante de grado en química de la UCLA perteneciente al laboratorio de Yaghi; Carolyn Knobler y Hiroyasu Furukawa, del Centro de Química Reticular en el Instituto de Nanosistemas de la UCLA; y Michael O’keeffe del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad Estatal de Arizona.

 A comienzo de la década de 1990, Yaghi descubrió otra clase de compuestos denominados armazones organoametálicos o MOFs por sus siglas en inglés (Metal-Organic Frameworks), que han sido descritos como esponjas metálicas y que también tienen implicaciones en la producción limpia de energía. Yaghi puede cambiar la composición de los MOFs casi a voluntad. Como los ZIFs, los MOFs son porosos, contando con cavidades a nanoescala, en las que Yaghi y sus colaboradores pueden depositar gases que normalmente son difíciles de almacenar y transportar.

El laboratorio de Yaghi ha producido varios cientos de MOFs, con propiedades y estructuras variadas. Las moléculas pueden penetrar en su interior y salir sin obstáculo.

La companía BASF, multinacional química con sede en Alemania, financió la síntesis de los materiales, y el Departamento Estadounidense de Energía los estudios de absorción y separación del dióxido de carbono.

UCLA es la mayor universidad de California, con una inscripción de casi 37.000 estudiantes. El Colegio de Letras y Ciencias de la UCLA y sus 11 escuelas profesionales ofrecen más de 300 programas y licenciaturas. UCLA es un líder nacional e internacional por la amplitud y calidad de sus programas de estudios académicos, de investigación, salud, cultura, educación continua y deporte. Cuatro alumnos y cinco profesores han sido galardonados con el Premio Nobel.