Amino-funcionalización de óxido de grafeno (GO) y nanocompuestos GO/SiO2 : evaluación de captura de CO2

Resumen

El alarmante aumento de los problemas del cambio climático se debe a las emisiones masivas de gases de efecto invernadero a la atmósfera como consecuencia del uso de combustibles fósiles. La reducción de estas emisiones diferentes frentes de actuación: la mejora de la eficiencia energética, el uso de energías renovables o energía nuclear, cambiar a combustibles con menor concentración de carbono, la gestión de la huella de carbono, el ecodiseño y la captura de CO2. Para este último caso, tras la captura, purificación y compresión del CO2, éste se envía para su almacenamiento físico a depósitos geológicos, para secuestro oceánico de CO2, o para usos industriales limitados. Esto es lo que se denomina CCS (del inglés carbon capture and sequestration) [Gambhir 2019, Silva 2020, Yan 2020, Wu, M. 2020, Rahman 2017]. La CCS es una alternativa muy prometedora para la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, el almacenamiento a largo plazo de grandes cantidades de CO2 presenta varios retos medio ambientales a tener en cuenta. En el caso de la inyección de cantidades masivas de CO2 en las profundidades de los océanos puede suponer un cambio en los ecosistemas marinos enorme, sin ir más lejos, puede suponer un cambio en el pH del agua o el desplazamiento de la solubilidad de otros gases en el agua necesarios para la vida en los océanos. En el caso de usos de reservorios geológicos habría que considerar la estabilidad de los mismos [Alcalde 2018], y, la posibilidad de filtraciones a aguas subterráneas o contaminación directa del suelo [Thomas 2018]. Es aquí, frente a éstos problemas, donde se postulan nuevas alternativas como la captura de carbono y conversión (CCC, del inglés carbon capture and conversion). Donde el CO2 es capturado y reconvertido en sustancias químicas útiles, proporcionándole un valor añadido. Los sistemas CCC buscan enlazar la captura de CO2 con su posterior revalorización. Por ejemplo, su transformación en monóxido de carbono, metanol, ácido fórmico u otros hidrocarburos [Jhong 2013]. Para estas soluciones se requieren mecanismos de captura de CO2. Existen dos tipos de sistema de captura de CO2: captura mediante procesos de adsorción y captura mediante procesos de absorción. Los procesos de absorción son un fenómeno de volumen. Se trata de una operación que consiste en separar mediante un disolvente líquido una mezcla de gases. Para la captura de CO2 se conocen distintos disolventes: líquidos iónicos [Li, L. 2020], aminas [Kalatjari 2019, Li, K. 2020] o carbonatos [Borhani 2015, Behr 2013] en disolución acuosa. La captura mediante procesos de adsorción consiste en el atrape o retención de las moléculas de CO2 en la superficie de un sólido. Algunos de los materiales utilizados para este fin son los MOFs (estructuras organometálicas, del inglés metal-organic framework) [Ghanbari 2020], zeolitas [Wang 2017, Kumar 2020], carbón activo [Li 2017], hidrotalcita [Walspurger 2011, Miguel 2014] o materiales mesoporosos funcionalizados [Zhao, Y. 2019, Zhao P. 2019]. Es aquí donde se enmarca esta tesis, en la que se lleva a cabo el estudio de nuevos materiales sólidos adsorbentes, selectivos al CO2 gas que a su vez sean eficientes y reusables. Para tal fin se han sintetizado, caracterizado y aplicado con éxito óxidos de grafeno, materiales silícicos mesoporosos (MCM-41 y SBA-15), y compuestos de sílice y materiales grafénicos. El comportamiento y eficacia en la captura de CO2 de estos sólidos se ha mejorado introduciendo un grupo funcional con afinidad a éste gas, el grupo amina. Los grupos amina en presencia de CO2 forman carbamatos en las superficies de dichos sólidos. Estos materiales amino-funcionalizados combinan las ventajas de los soportes sólidos porosos y de los grupos amina: alta superficie específica y alta afinidad por el CO2. Esta amino-funcionalización se ha llevado a cabo utilizando métodos de impregnación o de reacciones químicas (sililación y amidación) con distintas moléculas: polietilenimina (PEI), (3-aminopropil)trimetoxisilano (APTMS), 3-(2-aminoetilamino)-propiltrimetoxisilano (AEP) y 3[2-(2-aminoetilamino)-etilamino]–propiltrimetoxisilano (AEAP). Los materiales así generados se han caracterizado ampliamente mediante espectroscopia infrarroja, difracción de rayos X, espectroscopia Raman, microscopia de fuerza atómica, análisis termogravimétrico, calorimetría diferencial de barrido, espectrometría de masas, isotermas de adsorción, microscopia electrónica de transmisión y espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X. Mientras que la evaluación de la captura de CO2 se ha llevado a cabo mediante isotermas de CO2 y ciclos termogravimétricos adsorción-desorción. De los resultados de las isotermas de adsorción de CO2 se infiere que la capacidad de adsorción de CO2 de estos tres grupos de materiales queda incrementada mediante su amino-funcionalización tanto con APTMS como con PEI, consiguiéndose incrementos de hasta el 218%. Este hecho se atribuye a la quimisorción asociada a la formación de carbamatos. Mientras que, de la forma de dichas isotermas se deduce que la quimisorción del CO2 es más débil en los materiales de óxido de grafeno amino-funcionalizados que en los silícicos amino-funcionalizados. Así mismo, los composites de sílice y materiales grafénicos amino-funcionalizados tienen un comportamiento de adsorción de CO2 similar a los silícicos amino-funcionalizados. Paralelamente a esto, los materiales de óxido de grafeno amino-funcionalizados presentan un incremento de la estabilidad de los procesos de regeneración de los ciclos de adsorción-desorción del CO2 respecto de los materiales silícicos. Incremento de estabilidad que también presentan los composites amino-funcionalizados debido a que al introducir las láminas de óxido de grafeno reducido en las estructuras de sílice se mejora significativamente la estabilidad de su capacidad de adsorción frente a la repetición de los ciclos de adsorción-desorción de CO2. Combinándose así, en los composites de sílice y materiales grafénicos amino-funcionalizados, las mejores características de adsorción de CO2 de los otros dos grupos de materiales amino-funcionalizados estudiados: los materiales silícicos mesoporosos y los óxidos de grafeno. En definitiva, en la presente Tesis, se han logrado desarrollar con éxito nuevos materiales basados en óxido de grafeno y composites de materiales mesoporosos de sílice y materiales grafénicos para la eficaz captura de CO2. Referencias [Alcalde 2018] J. Alcalde, S. Flude, M. Wilkinson, G. Johnson, K. Edlmann, C. E. Bond, V. Scott, S. M. V. Gilfillan, X. Ogaya, R. Stuart Haszeldine. Nat. Commun. 9 (2018) 2201. [Behr 2013] P. Behr, A. Maun, A. Tunnat, K. Görner. Energy Procedia 37 (2013) 1554-1565. [Borhani 2015] T. N. G. Borhani, V. Akbari, M. Afkhamipour, M. K. A. Hamid, Z. A. Manan. Int. J. Greenh. Gas Con. 41 (2015) 142-162. [Gambhir 2019] A. Gambhir, M. Tavoni. One Earth 4 (2019) 405-409. [Ghanbari 2020] T. Ghanbari, F. Abnisa, W. M. A. W. Daud. Sci. Total Enviro. 707 (2020) 135090. [Jhong 2013] H. R. Jhong, S. Ma, P. J. A. Kenis. Current Opinion in Chemical Engineering 2 (2013) 191-199. [Kalatjari 2019] H. R. Kalatjari, A. Haghtalab, M. R. J. Nasr, A. Heydarinasab. J. Nat. 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