YING IAN CHEN Y SRIKANTH MATETI

En 2016, los expertos que escribieron en Nature enumeraron siete avances en la forma en que procesamos los productos químicos que podrían cambiar el mundo para mejor. Creemos que acabamos de marcar uno de esos de la lista.

Encontramos una forma altamente eficiente y completamente novedosa de separar, purificar, almacenar y transportar grandes cantidades de gas de forma segura, sin desperdicio.

¿Por qué es tan importante este avance? Creemos que ayudará a superar el desafío clave del almacenamiento de hidrógeno al permitirnos almacenar y transportar de manera segura grandes cantidades de hidrógeno verde como un sólido a una fracción del costo de la energía. Esto nos permitirá acelerar la absorción de hidrógeno verde, así como permitir que las refinerías de petróleo usen mucha, mucha menos energía y facilitar el procesamiento de muchos otros gases.

En este momento, descomponer el petróleo crudo en gasolina y otros gases en las refinerías de petróleo se basa en el proceso de destilación criogénica que consume mucha energía. Esto representa hasta el 15% del consumo mundial de energía. Por el contrario, estimamos que nuestro nuevo método reduciría este uso de energía hasta en un 90%.

Este método ofrece al mundo un método de almacenamiento sólido para gases con una capacidad mucho mayor que cualquier material anterior. Los gases absorbidos se pueden recuperar a través de un proceso de calentamiento simple que deja intactos tanto los gases como el polvo, lo que permite su uso o reutilización inmediatos.

¿QUÉ ENCONTRAMOS?
El avance es tan significativo, y se aleja tanto de la sabiduría aceptada sobre la separación y el almacenamiento de gases, que nuestro equipo de investigación repitió nuestro experimento de 20 a 30 veces antes de que pudiéramos creerlo.

¿Entonces, cómo funciona? Nuestro nuevo enfoque utiliza un nuevo método llamado "molienda de bolas" para almacenar gas en un nanomaterial especial a temperatura ambiente. Este método se basa en reacciones mecanoquímicas, lo que significa que se utiliza maquinaria para producir reacciones inusuales.

El ingrediente especial en el proceso es el polvo de nitruro de boro, que es excelente para absorber sustancias porque es muy pequeño pero tiene una gran cantidad de superficie para la absorción.

Para que esto funcione, el polvo de nitruro de boro se coloca en un molino de bolas, un molinillo que contiene pequeñas bolas de acero inoxidable en una cámara, junto con los gases que deben separarse. 

A medida que la cámara gira a velocidades progresivamente más altas, la colisión de las bolas con el polvo y la pared de la cámara desencadena una reacción mecanoquímica especial, lo que provoca que el gas sea absorbido por el polvo.

En este proceso, las bolas de acero giran a alta velocidad para separar los gases

Mejor, un tipo de gas siempre se absorbe más rápidamente, separándolo de los demás y permitiendo que se elimine fácilmente del molino. Puede repetir este proceso en varias etapas para separar los gases que desee, uno por uno. Puede almacenar los gases en el polvo para su transporte y volver a separarlos en gas. Y mejor aún, el polvo de nitruro de boro se puede utilizar para realizar el mismo proceso de separación y almacenamiento de gases hasta 50 veces.

El proceso no requiere productos químicos agresivos y no genera subproductos. No requiere configuraciones que consumen mucha energía como alta presión o bajas temperaturas, lo que ofrece una forma mucho más económica y segura de desarrollar cosas como vehículos impulsados ​​por hidrógeno.

Este proceso de absorción de gas de molienda de bolas utiliza alrededor de 77 kilojulios por segundo para almacenar y separar 1.000 litros de gases. Esa es aproximadamente la energía necesaria para conducir un vehículo eléctrico promedio 320 kilómetros. Es al menos un 90% menos de energía que el método de destilación criogénica utilizado en las refinerías de petróleo.

Es por eso que creemos que este avance puede marcar una de las siete mejoras de métodos de separación química que podrían cambiar el mundo, específicamente, mejorar la separación de olefina-parafina, una parte clave de la industria petroquímica.

Esta es la culminación de 30 años de trabajo en nanomateriales y mecanoquímica por parte de investigadores del Instituto de Materiales Fronterizos de la Universidad de Deakin.

¿CÓMO NOS AYUDARÁ ESTO A CAMBIAR A ENERGÍA LIMPIA?
La crisis del gas que enfrenta la costa este de Australia ha llamado la atención sobre nuestra dependencia de estos combustibles. En respuesta, ha habido crecientes llamados para acelerar el cambio a combustibles de gas más limpios, como el hidrógeno verde.

El problema es el almacenamiento. Almacenar enormes cantidades de hidrógeno para uso práctico es un gran desafío. En la actualidad, almacenamos hidrógeno en un tanque de alta presión o enfriando el gas hasta su forma líquida. Ambos requieren grandes cantidades de energía, así como procesos y productos químicos peligrosos.

Ahí es donde este método podría ayudar a acelerar la absorción de hidrógeno, al permitir una tecnología de almacenamiento de estado sólido segura y eficiente a gran escala. Cuando se almacena en forma de polvo, el hidrógeno es extremadamente seguro. Para recuperar el gas, simplemente calienta el polvo en el vacío.

Este nuevo proceso puede lograr una capacidad de almacenamiento de gas sin precedentes, muy por encima de cualquier material poroso conocido. Por ejemplo, nuestro nuevo proceso puede almacenar 18 veces más acetileno que la mayor absorción lograda por las estructuras metalorgánicas, otro enfoque que utiliza materiales porosos.

La capacidad de almacenamiento de gas notablemente alta se debe a la forma novedosa en que las moléculas de gas se adhieren al polvo durante el proceso de molienda de bolas, que no rompe las moléculas de gas.

Sin embargo, para que este proceso pueda escalar, tenemos que perfeccionar el proceso de molienda. Hay un punto óptimo en la molienda que crea las reacciones químicas más débiles que queremos, sin producir reacciones más fuertes que puedan destruir las moléculas de gas. También tendremos que averiguar cómo obtener la mejor tasa de almacenamiento para cada material en función de la intensidad de molienda y la presión de los gases.

Con el apoyo de la industria, nuestro novedoso proceso se puede escalar rápidamente para brindar soluciones prácticas para garantizar que nunca tengamos que enfrentar otra crisis de gas, y que podamos acelerar la descarbonización.