por Apeksha Srivastava, Instituto Indio de Tecnología Gandhinagar
El cambio climático es uno de los desafíos globales más acuciantes de la actualidad. El aumento de las concentraciones de dióxido de carbono (CO₂ ) en la atmósfera es un factor importante que contribuye a este fenómeno. Actividades como la quema de combustibles fósiles para uso diario, como la generación de electricidad y el transporte, y las aplicaciones industriales, liberan cantidades significativas de CO₂ , atrapando el calor a niveles excesivos y contribuyendo al calentamiento global.
Cómo funcionan las tecnologías de captura de carbono
La captura, uso y almacenamiento de carbono (CCUS) es uno de los programas destinados a combatir las emisiones de combustibles fósiles. El programa explora diversas formas de capturar el CO₂ para evitar que llegue a la atmósfera. La captura de carbono se puede lograr mediante procesos como la absorción química líquida, la separación por membranas y la adsorción con materiales sólidos. Mientras que la absorción implica sumergir una sustancia en todo el volumen de otra, la adsorción consiste en la adhesión de una sustancia a la superficie de otra.
Las industrias han utilizado estos métodos para permitir el paso de ciertos gases mientras bloquean o filtran otros. Sin embargo, estos procesos presentan desafíos, como un alto consumo de energía, elevados costos de desarrollo y procesos de preparación complejos, entre otros. Una estrategia prometedora es el uso de carbones porosos como adsorbentes de CO₂ . Estos contienen poros diminutos que pueden atrapar el CO₂ en su superficie. Una buena analogía es la forma en que un purificador de aire de carbón elimina contaminantes invisibles. No obstante, el desarrollo de estos adsorbentes implica el uso de materiales corrosivos y tóxicos, genera aguas residuales y requiere una gestión cuidadosa para prevenir la contaminación ambiental.
El estiércol de vaca como recurso limpio
Para abordar este problema, investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Gandhinagar (IITGN) han propuesto materiales de carbono porosos de bajo costo, sostenibles y escalables derivados del estiércol de vaca. Sus hallazgos se publicaron recientemente en la revista Surfaces and Interfaces .
El estiércol de vaca es un recurso renovable y está disponible en grandes cantidades diariamente en países como la India, donde la ganadería es muy extendida. En muchas zonas rurales, se utiliza comúnmente como fertilizante y combustible para cocinar. En este estudio, se revela como un precursor de biomasa de alto valor para la producción de materiales funcionales avanzados destinados a la remediación ambiental.
Ingeniería del carbono poroso dopado con nitrógeno
Al hablar sobre el estudio, el Sr. Ranjeet Kumar dijo: «Desarrollamos carbono poroso dopado con nitrógeno (NDPC), un material que adsorbe CO₂ . Para elaborarlo, mezclamos estiércol de vaca con melamina (que aporta nitrógeno) y bicarbonato de potasio. Este último es un agente activador ecológico, menos corrosivo y eficaz para crear materiales de gran superficie».
El Sr. Kumar es el autor principal de este estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química del IITGN.
«La mezcla se calentó en un horno a una temperatura extrema en ausencia de oxígeno. Este proceso, denominado pirólisis, produjo NDPC para la captura eficiente de moléculas de CO₂ . El nitrógeno incorporado al carbono mejora la capacidad de este material para atraer CO₂ « , añadió Sree Harsha Bharadwaj H, coautor y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería de Materiales del IITGN.
Empleó simulaciones detalladas a nivel molecular para validar el material desarrollado experimentalmente. Estos métodos simulan el movimiento de átomos y moléculas a lo largo del tiempo y exploran sus posibles configuraciones y propiedades.
Superficie récord y rendimiento
Los investigadores prepararon diferentes materiales variando la proporción de estiércol de vaca y melamina.
Según el Dr. Chinmay Ghoroi, «El material con mejor rendimiento, llamado NDPC-1, contenía un 2,95 % de nitrógeno y una superficie muy grande de 1.153 metros cuadrados por gramo».
Imagínese un gramo de este material cubriendo varias áreas de juego de una cancha de tenis; eso le dará una idea de lo grande que es esta superficie.
«El rendimiento del NDPC-1 fue un 58 % superior al del carbón puro, que es estiércol de vaca pirolizado sin activación. El NDPC-1 también mostró una excelente estabilidad cíclica, es decir, la capacidad del carbón poroso para mantener su capacidad inicial de captura de CO₂ después de 10 ciclos de adsorción-desorción», continuó el Dr. Ghoroi, profesor del Departamento de Ingeniería Química e investigador principal del Laboratorio ChemiGlyphic.
Las simulaciones revelan por qué funciona.
El equipo utilizó un enfoque integrado para obtener información detallada.
En palabras del Dr. Raghavan Ranganathan: «En lugar de basarnos únicamente en la optimización experimental, nuestro trabajo incluye la combinación de simulación computacional de dinámica molecular reactiva y simulaciones de Monte Carlo canónicas generalizadas con experimentos para dilucidar la relación estructura-propiedad que rige la adsorción de CO₂ .
Este marco conceptual proporciona una comprensión mecanicista más profunda de la funcionalidad del nitrógeno y la arquitectura de los poros, entre otras características. Además, permite el desarrollo de carbones porosos de alto rendimiento con propiedades texturales y químicas optimizadas.
El Dr. Ranganathan es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería de Materiales e investigador principal en el Grupo de Ingeniería Molecular Computacional.
Beneficios climáticos y promesas reales
En esencia, el NDPC-1 producido durante esta investigación tiene el potencial de capturar CO₂ de manera efectiva . Estos materiales, combinados con tecnologías de energías renovables, serán cruciales para reducir la huella de carbono de las industrias y optimizar el uso de los recursos. Además, el material respalda la idea de una economía circular, que implica la reutilización de residuos para crear productos valiosos.
Curiosamente, la síntesis en seco, sencilla y en un solo paso, reduce el consumo de productos químicos y los costes de procesamiento. Su buena capacidad de adsorción a baja temperatura y su excelente estabilidad de regeneración lo convierten en una opción idónea y asequible para su uso a gran escala. La adsorción de CO₂ a baja temperatura (30 °C) supone una mejora significativa con respecto a la mayoría de los adsorbentes sólidos, que adsorben selectivamente CO₂ a altas temperaturas (400-700 °C).
Además, la mínima generación de aguas residuales y el uso de agentes activadores suaves hacen que el proceso sea ambientalmente sostenible. Es importante destacar que este estudio se alinea con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 13 de las Naciones Unidas, centrado en la acción climática, que insta al mundo a transformar sus sistemas y ofrecer soluciones para «preservar un planeta habitable». El estudio también está en consonancia con el Plan de Acción Nacional de la India sobre el Cambio Climático, que busca alcanzar cero emisiones netas para 2070.
Más información
Ranjeet Kumar et al., Síntesis en seco en un solo paso de carbono poroso derivado de biomasa para la captura sostenible de CO2: Estudio experimental y de simulación, Surfaces and Interfaces (2026). DOI: 10.1016/j.surfin.2026.108833
