Rodríguez-Garcia, S.; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchan, MD; Velázquez, MM; Fierro, JLG; Palomar, J. (2019). Role of the Structure of Graphene Oxide Sheets on the CO2 Adsorption Properties of Nanocomposites Based on Graphene Oxide and Polyaniline or Fe3O4 – Nanoparticles, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7 (14), pp. 12464-12473. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b02035
Antes de repasar las propiedades del óxido de grafeno en relación con el CO2, es necesario aclarar los conceptos de «adsorción» y «absorción».
Como se explicará más adelante, el óxido de grafeno puede adsorber y absorber CO₂ en diferentes configuraciones de nanomateriales.
A menudo se confunde la adsorción con la «absorción».
Se trata de la propiedad que permite a un material unir átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido.
En este caso, la capacidad de atraer CO2 a la superficie del óxido de grafeno y mantenerlo unido, adherido o fijo.
Este efecto de atracción es similar a la tensión superficial, por la que las gotas de agua se fusionan en gotas más grandes cuando su distancia es suficientemente pequeña.
La absorción es la propiedad de un material para asimilar, integrar o combinarse con átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido.
En este caso, el óxido de grafeno tiene la capacidad de integrar CO₂, aunque hay que señalar que no lo consigue por sí solo, ya que requiere nanocompuestos y polímeros de terceros.
Hechos analizados
El artículo aquí analizado presenta información relevante que explicaría la importancia del óxido de grafeno en la lucha contra el cambio climático.
El estudio de Rodríguez-García, S.; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchán, M. D.; Velázquez, M. M.; Fierro, J. L. G.; Palomar, J. (2019) demuestra las propiedades «adsorbentes» del óxido de grafeno en combinación con nanopartículas de Fe₃O₄ para reducir las emisiones de CO₂ a la atmósfera.
La composición de óxido de grafeno con nanopartículas de Fe₃O₄ está directamente relacionada con el desarrollo de medicamentos contra el cáncer y vacunas de ADN (Shah, MAA; He, N.; Li, Z.; Ali, Z.; Zhang, L., 2014), biocidas y fertilizantes para uso agrícola (Zhang, M.; Gao, B.; Chen, J.; Li, Y.; Creamer, A. E.; Chen, H., 2014), ensayos de absorción de ondas electromagnéticas 5G (Ma, E. ; Li, J.; Zhao, N.; Liu, E.; He, C.; Shi, C. 2013).
Y administración de vacunas con reformulaciones genéticas mediante la técnica CRISPR (Abbott, TR; Dhamdhere, G. ; Liu, Y.; Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Qi, LS (2020); Ding, R.; Long, J.; Yuan, M.; Jin, Y.; Yang, H.; Chen, M.; Duan, G. (2021); Teng, M.; Yao, Y.; Nair, V.; Luo, J. (2021).
En otras palabras, se trata siempre del mismo compuesto altamente versátil en todos los casos y aplicaciones.
Fig. 1. Diagrama esquemático de la reacción de absorción de CO₂ con óxido de grafeno.
Aunque el óxido de grafeno posee propiedades especiales que lo convierten en un material ideal para la filtración atmosférica y la descontaminación del aire, resulta paradójico y contradictorio al mismo tiempo.
No hay que olvidar que el óxido de grafeno inhalado (en partículas en suspensión) es perjudicial para la salud (Ou, L.; Song, B.; Liang, H.; Liu, J.; Feng, X.; Deng, B.; Shao, L., 2016) y puede causar daños importantes, que ya se han descrito en entradas anteriores.
Por ejemplo, el óxido de grafeno en la sangre (Palmieri, V., 2016). ; Perini, G.; De Spirito, M.; Papi, M., 2019), la interacción del óxido de grafeno con las células cerebrales (Rauti, R.; Lozano, N.; León, V.; Scaini, D.; Musto, M.; Rago, I.; Ballerini, L., 2016), y altera la homeostasis mitocondrial (Xiaoli, F. ; Yaqing, Z.; Ruhui, L.; Xuan, L.; Aijie, C.; Yanli, Z.; Longquan, S. (2021), entre otros artículos que pueden recuperarse mediante la consulta «toxicidad del grafeno».
Volviendo al análisis del artículo, se afirma que los nanocompuestos de óxido de grafeno con polianilina (PANI) o nanopartículas de Fe₃O₄ son capaces de adsorber y retener CO₂.
Esta capacidad especial «aumenta linealmente con el volumen de los microporos».
Este detalle es relevante porque concuerda con el tipo de material utilizado en la nucleación del hielo, que, igualmente, debe ser poroso para lograr un mejor rendimiento en la formación de nanocristales (Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. 2019).
La propiedad porosa también se aprecia en fertilizantes químicos y, curiosamente, en nanopartículas orientadas a terapias de interferencia de ARN en el cerebro (Joo, J.; Kwon, EJ; Kang, J.; Skalak, M.; Anglin, EJ; Mann, AP; Sailor, MJ, 2016).
De hecho, el grafeno poroso se utiliza como nanofiltro atmosférico, como también informan otros autores (Blankenburg, S.; Bieri, M.; Fasel, R.; Müllen, K.; Pignedoli, C. A.; Passerone, D. 2010), en forma de membranas de óxido de grafeno 2D que adsorben amoníaco, CO2 y argón.
Al revisar la introducción del artículo, se pueden observar otras afirmaciones interesantes.
En concreto, la investigación se justifica por el problema del calentamiento global, que «constituye un grave problema para el planeta. La creciente concentración de gases de efecto invernadero, especialmente de CO₂, hace necesario el desarrollo de procesos para su eliminación».
En este sentido, el óxido de grafeno se presenta como «una solución eficaz y económica» para mitigar los efectos que puede provocar este contaminante.
De las distintas opciones estudiadas en la literatura científica (adsorción y absorción con membranas o absorción química en aminas líquidas), ninguna consigue un buen equilibrio entre rendimiento, eficiencia energética y efectos.
Sin embargo, el óxido de grafeno en forma de hidrogeles, aerogeles, nanoesferas y nanotubos parece triplicar la capacidad de captura de CO2 cuando se funcionaliza con Fe₃O₄.
El experimento realizado pretende simular un escenario realista de adsorción de CO2, concretamente el producido por un gas de combustión.
Esto sugiere que una posible aplicación del óxido de grafeno sería en los tubos de escape de los motores de combustión o en cualquier otro proceso de combustión industrial.
De hecho, los autores señalan que, en un escenario más realista correspondiente a un gas después de la combustión (pCO2 = 0,15 bar y pN2 = 0,85 bar), los valores de selectividad IAST CO2/N2 obtenidos a partir de nanocomposites preparados con óxido de grafeno deben mejorarse para garantizar una retención eficaz.
La IAST (teoría de la solución ideal adsorbida) viene determinada por varios factores, entre los que destacan la presión atmosférica expresada en bar (unidad de presión), el peso atómico por gramo en mmol/g del catalizador de óxido de grafeno, la temperatura, la concentración de CO2 y el tiempo de adsorción.
Los investigadores concluyen que el óxido de grafeno recubierto con el polímero PANI ofrece mejores resultados de adsorción a temperaturas de funcionamiento, así como propiedades de reciclabilidad que permiten un comportamiento modular para lograr una mayor eficiencia.
Otros estudios se han centrado en la «adsorción» de CO2 con óxido de grafeno.
Por ejemplo, el estudio de Wu, X.; Zhao, B.; Wang, L.; Zhang, Z.; Zhang, H.; Zhao, X.; y Guo, X. (2016) probó el comportamiento del PVDF (fluoruro de polivinilideno) y el óxido de grafeno a diferentes concentraciones para crear membranas y observar la adsorción de CO2 en condiciones de temperatura ambiente.
Se concluyó que al aumentar el porcentaje de grafeno, la capacidad de adsorción de la membrana también aumentaba.
En este resultado influyó el factor de porosidad (82 % en el experimento), responsable también de la cristalización o nucleación del PVDF, que provocó un cambio en la forma de la membrana, aumentando su rugosidad y superficie de contacto con el óxido de grafeno, y, en consecuencia, su capacidad de adsorción.
Curiosamente, la membrana no perdió CO₂ ni siquiera cuando estaba mojada, debido a las características hidrófobas del PVDF.
(Irani, V.; Maleki, A.; Tavasoli, A., 2019) también estudiaron la adsorción de CO2 con óxido de grafeno nanofluidificado combinado con MDEA (metildietanolamina amina), y confirmaron las capacidades del material.
Por ejemplo, se demostró que la adición de un 0,2 % de óxido de grafeno a MDEA aumentaba su capacidad de adsorción de CO2 en más de un 10 % a diferentes temperaturas, con un incremento mínimo del peso de la mezcla.
Reflexiones finales
El óxido de grafeno puede utilizarse para adsorber CO₂ de la atmósfera y contribuir a la reducción de los gases de efecto invernadero.
De hecho, no sería de extrañar que ya se utilizara para este fin en la actualidad, ya que, según (Pöschl U., 2005), el óxido de grafeno se encuentra en el análisis de aerosoles en la atmósfera junto con el hollín resultante de la pirólisis y la combustión incompleta de los aviones a reacción, en una cantidad no cuantificada.
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