Preparación y caracterización de carbones activados de bajo coste usando H3PO4, ZnCl2 y KOH para aplicaciones de adsorción de CO2

Transformar la madera residual en aliados climáticos

El aumento de las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) es uno de los principales motores del calentamiento global, y gran parte de este gas procede de centrales eléctricas y fábricas que queman combustibles fósiles. Capturar el CO2 antes de que llegue a la atmósfera es una vía prometedora para frenar el cambio climático, pero los métodos actuales suelen emplear líquidos costosos o corrosivos. Este estudio explora una idea más simple: transformar la madera de hierro persa de bajo valor, un árbol común en el norte de Irán, en materiales altamente porosos similares a carbón vegetal que puedan atrapar CO2 de forma eficiente y económica.

De subproducto forestal a carbón diseñado

Los investigadores partieron de la madera de Parrotia persica, que crece abundantemente en los bosques hircánicos pero tiene escaso valor comercial. Tras limpiar y triturar la madera, la calentaron en ausencia de oxígeno para convertirla en un sólido rico en carbono y luego la trataron con tres productos químicos distintos: un ácido fuerte (ácido fosfórico), una sal de zinc (cloruro de zinc) y una base fuerte (hidróxido de potasio). Cada químico interacciona de manera diferente con los polímeros naturales de la madera durante el calentamiento, excavando una red de poros diminutos y ajustando la cantidad de área superficial disponible para que el gas se adhiera. Variando la cantidad de reactivo y la temperatura de calentamiento, crearon una familia de carbones activados con estructuras de poros distintas.

Diseñando cavidades diminutas para el CO2

¿Por qué importan los poros? La captura de gas en materiales sólidos funciona porque las moléculas de gas se adhieren a las superficies mediante fuerzas eléctricas débiles. Cuanta más área superficial interna y cuantas más cavidades de tamaño apropiado tenga un material, más moléculas podrá alojar. El equipo midió el tamaño de poro y el área superficial con gas nitrógeno y microscopía. El cloruro de zinc produjo la mayor área superficial —unos 1.925 metros cuadrados por gramo—, comparable a extender una pista de tenis sobre un terrón de azúcar. El ácido fosfórico, sin embargo, creó carbones con un volumen de poro especialmente grande y una mezcla de poros ultrafinos y algo mayores, además de numerosos grupos superficiales que contienen oxígeno. Estas características químicas fortalecen las interacciones con el CO2, que es ligeramente polar y se siente atraído por sitios polares o básicos en la superficie del carbono.

¿Qué tan bien capturan CO2 estos sorbentes?

Los investigadores probaron la captura de CO2 a presiones de hasta 14 bar y cerca de la temperatura ambiente, condiciones similares a las de los gases de escape industriales. Todas las muestras mostraron la mayor captación de CO2 a temperaturas más bajas, consistente con un proceso físico de "adhesión": al calentarse, las moléculas de gas se mueven más rápido y es menos probable que permanezcan unidas. Entre los materiales, el carbón activado con ácido fosfórico y la mayor proporción de tratamiento (etiquetado ACH3) alcanzó la mejor capacidad de CO2 a 1 bar y 25 °C, superando ligeramente a la muestra tratada con cloruro de zinc a pesar de su área superficial algo menor. Esta ventaja procedía de su mayor volumen de poro y de una química superficial más rica. El análisis del calor liberado durante la adsorción confirmó que el CO2 se retenía principalmente por fuerzas físicas más que por la formación de nuevos enlaces químicos, lo cual es importante porque significa que el material puede regenerarse con calentamiento moderado y reutilizarse muchas veces.

Separando el CO2 de los componentes ordinarios del aire

Capturar CO2 de los gases de combustión no es solo cuestión de cuánto puede retener, sino de cuánto prefiere el CO2 frente a otros gases como el nitrógeno (N2), que constituye la mayor parte del aire. Combinando mediciones del comportamiento de cada gas en los carbones con una teoría predictiva bien establecida, el equipo estimó cuán selectivos serían los materiales para adsorber CO2 de una mezcla CO2/N2. Tanto los carbones tratados con ácido fosfórico como los de cloruro de zinc mostraron una fuerte selectividad, favoreciendo el CO2 sobre el N2 por un factor aproximado de 20 a presión atmosférica. La muestra basada en hidróxido de potasio fue menos selectiva, probablemente porque su red de poros quedó más toscamente grabada y parcialmente obstruida, ofreciendo menos sitios de tamaño ideal para que el CO2 se acomode. Es importante que todos los carbones de mejor rendimiento mantuvieron un funcionamiento casi constante durante varios ciclos de adsorción–desorción, lo que sugiere que podrían soportar usos repetidos en sistemas reales.

Qué implica esto para la futura captura de CO2

Para un público no especializado, la conclusión es sencilla: un subproducto forestal de bajo valor puede convertirse en un carbono esponjoso y finamente afinado que captura CO2 de forma eficiente, lo prefiere claramente frente al nitrógeno y puede reutilizarse varias veces. Entre los enfoques probados, los tratamientos con ácido fosfórico y con sal de zinc de la madera de hierro persa produjeron materiales especialmente prometedores, equilibrando gran área superficial, tamaños de poro bien ajustados y química superficial favorable. Aunque las predicciones del estudio sobre el rendimiento con mezclas de gases aún deben verificarse en ensayos de flujo a escala completa, el trabajo muestra que un “carbón” cuidadosamente diseñado a partir de biomasa local podría convertirse en una herramienta práctica y de bajo coste para reducir las emisiones industriales de gases de efecto invernadero.

Cita: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Palabras clave: captura de carbono, carbón activado, biomasa, adsorción de CO2, materiales porosos