Método y sistema para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases.

El método comprende utilizar un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) para la aplicación de un campo eléctrico elevado ({aprox}10 V/nm) mediante la aplicación de un correspondiente voltaje (V) moderado (10-100 V) a través de una punta (P) del microscopio y un substrato (S) semiconductor o conductor, entre los cuales se dispone un volumen de un gas de efecto invernadero o de una mezcla de gases (G) contenedora de los mismos, tales como dióxido de carbono o metano, cuyas moléculas son así activadas químicamente y posteriormente reaccionan entre sí para formar productos (D) derivados de carbono que se depositarán en fase sólida sobre la superficie del substrato (S).El sistema está adaptado para aplicar el método propuesto disponiendo los diferentes elementos en el interior de una cámara cerrada (C)

Método y sistema para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases.

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general a un método y un sistema para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases mediante la aplicación de un campo eléctrico sobre dicho gas o mezcla de gases, y en particular a un método y un sistema que utilizan un microscopio de fuerzas atómicas, o AFM, para la aplicación de dicho campo eléctrico.

Estado de la técnica

La información científica más solvente reunida hasta la fecha confirma el origen antropomórfico del cambio climático (Climate Change 2007, The physical science basis, The IPCC Fourth assesment report). Este cambio es en gran medida debido a la emisión de gases de efecto invernadero proveniente del uso de combustibles fósiles (petroleo, gas natural, carbón, madera, alcohol) para la producción de energía o el transporte. Debido a que esos procesos involucran la emisión de dióxido de carbono (CO₂), la proporción del mismo a aumentado considerablemente en los últimos 100 años desde aproximadamente 300 ppm a 379 ppm (2005). Se estima que aproximadamente 2/3 del CO₂ liberado a la atmósfera proviene de procesos de combustión. Aunque el dióxido de carbono no es el gas de efecto invernadero más poderoso, sí es el más abundante, por lo tanto se señala a este como el gran responsable del cambio climático. Diversos procesos o mecanismos se han propuesto para detener o ralentizar este proceso. Unos pasan por mejorar la eficiencia en el uso de energía, otros por aumentar la masa forestal o por el desarrollo de combustibles basados en productos vegetales. También se ha propuesto secuestrar directamente CO₂ desde las centrales térmicas e inyectarlo en depósitos naturales subterráneos. Además se han propuesto diversos caminos catalíticos para activar el CO₂. Al ser el CO₂ una molécula con un calor de formación elevado y negativo (-394 kJ mol-1 o 4.1 eV) es muy inerte, por lo tanto es difícil de activarlo y mucho más a bajas temperaturas. La naturaleza provee de un complejo mecanismo pero a la vez muy efectivo para transformar el CO₂ en glucosa mediante el ciclo de Calvin. Este mecanismo permite fijar y reducir el número de moléculas de CO₂. Sin embargo, este mecanismo además de ser muy complejo requiere de la presencia de una fuente de energía externa para iniciar la secuencia de reacciones químicas.

También se conocen documentos de patente que proponen aplicar campos eléctricos para tratar gases con el fin de ionizar sus moléculas, para transformarlos en otros compuestos, o reducirlos cuando se trata de gases de efecto invernadero, tales como el dióxido de carbono o el metano.

Uno de tales documentos es la patente US5019355A1, la cual propone un dispositivo eléctrico para la conversión de moléculas de un peso molecular determinado, tales como metano, en moléculas de un peso molecular distinto, como por ejemplo en heptano u octano. El dispositivo comprende una cámara de reacción con una serie de tubos con superficies semiconductoras por las cuales circula una corriente eléctrica. Por el interior de los tubos se hace circular el gas a tratar, cuyas moléculas se ionizan, aceleran y combinan con otras moléculas para formar otras moléculas mayores, las cuales pueden segmentarse en otras menores.

Otro de dichos documentos es la patente US6508991B2, la cual propone un dispositivo y un método para tratar gases de escape con el fin de reducir la contaminación. El gas se hace pasar por una cámara a través de dos rejillas metálicas separadas entre sí una distancia que describen que puede ir desde 0,317 hasta 2,54 cm., a una de las cuales se le aplica un voltaje pulsado con una frecuencia predeterminada en función de la aplicación. Se propone eliminar así dióxido de carbono, monóxido de carbono, etc. Opcionalmente se hace pasar al gas ionizado por una segunda cámara a través de un estrato adecuado. Los valores de voltaje que se proponen en dicha patente son muy elevados (de un valor que va desde 10.000 hasta 100.000 V), pero necesarios para crear un campo eléctrico que sea efectivo a la hora de ionizar las moléculas del gas de escape. Obviamente dicho voltaje de tan alto valor implica una gran variedad de problemas, tanto por lo que se refiere a la complejidad y alto coste de generación del mismo, como a los efectos peligrosos que puede provocar en un usuario del sistema de escape que incorpore el dispositivo propuesto en dicha patente.

Por otra parte desde hace varias décadas es notorio que bajo ciertas circunstancias la aplicación de un voltaje entre dos superficies conductoras puede dar lugar a la creación de un plasma que a su vez favorece la deposición de películas aislantes o semiconductoras. Esto ha dado lugar a un método muy usado en microelectrónica conocido como "plasma enhanced chemical vapor deposition" (ver Principies of plasma discharges and materials processing, M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Wiley-Interscience, 2005). Aunque este proceso implica la generación de corrientes electroiónicas elevadas. Asimismo mediante el empleo del microscopio de ionización de campo ha sido posible generar campos eléctricos muy intensos (∼10-40 V/nm.). Esta técnica ha permitido inducir una gran variedad de reacciones químicas como la protonación o la eliminación de hidrógeno (R. Gomer, Field emission and field ionization, American Institute of Physics, New York 1993). Por ejemplo se puede considerar la reacción

donde M representa un substrato metálico (ver Figura 1). Los campos eléctricos empleados son del mismo orden que los campos eléctricos existentes en el interior de los átomos y moléculas. Por lo tanto son lo suficientemente fuertes para inducir la reordenación de los orbitales moleculares. Sin embargo, para efectuar los experimentos anteriores es necesario de disponer de un sofisticado equipo de ultra alto vacío, además de puntas metálicas muy afiladas y fuentes eléctricas de mucha potencia. Por todo ello los experimentos anteriores no son económicamente viables para la transformación a gran escala de moléculas.

El grupo que dirige el presente co-inventor (R. García) ha realizado experimentos para desarrollar un nanolitografía basada en el confinamiento local de reacciones químicas en un menisco líquido (R. García et al. J. Appl. Phys. 86, 1898 (1999); R. García, R.V. Martínez and J. Martínez, Chem. Soc. Rev. 35, 29 (2006)). El proceso requiere la aplicación de un pulso de voltaje entre la punta de un microscopio de fuerzas atómicas y una muestra. Inicialmente se demostró que era posible descomponer moléculas de agua (el agua posee un calor de formación de - 293 kJ/mol o 3.05 eV). Las estructuras formadas presentaban resistencia al ataque químico mediante ácidos como HF. Los experimentos también indicaron que es necesario aplicar un voltaje umbral para iniciar el proceso de la descomposición.

Experimentos de reactividad química y espectroscopia de rayos-X de las estructuras generadas mediante la utilización de moléculas de agua reveló la formación de depósitos de óxido de silicio (M. Lazzarino et al., Appl. Phys. Lett. 81, 2842 (2002)).

Descripción de la invención

Parece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica, que cubra las lagunas halladas en el mismo y que igual que en US6508991A1 permita aplicar un gran campo eléctrico a un gas indeseado con el fin de descomponerlo, pero mediante un voltaje de valores muy bajos en comparación con los utilizados en dicho antecedente.

La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases, que comprende aplicar un campo eléctrico entre un primer y un segundo elementos al menos parcialmente conductores entre los cuales se dispone un volumen de un gas de efecto invernadero o de una mezcla de gases contenedora de uno o más gases de efecto invernadero, tales como dióxido de carbono, metano, etc.

El método propuesto por la presente invención comprende utilizar un microscopio de fuerzas atómicas para la aplicación de dicho campo eléctrico, mediante la aplicación de un correspondiente voltaje a través de cómo mínimo una punta, o protrusión utilizada como punta, de dicho microscopio de fuerzas atómicas, siendo dicha...

1. Método para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases, del tipo que comprende aplicar un campo eléctrico entre un primer y un segundo elementos al menos parcialmente conductores entre los cuales se dispone un volumen de al menos un gas de efecto invernadero o de una mezcla de gases (G) contenedora de al menos un gas de efecto invernadero, estando dicho método caracterizado porque comprende utilizar un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) para la aplicación de dicho campo eléctrico, mediante la aplicación de un correspondiente voltaje (V) a través de al menos una punta (P), o protrusión (Pr) utilizada como punta, de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM), siendo dicha punta (P) dicho primer elemento.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende disponer a una superficie conductora o semiconductora de dicho segundo elemento (S) enfrentada y separada de dicha punta (P) una distancia predeterminada.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha distancia predeterminada está entre 1 y 5 nm.

4. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende la deposición sobre la superficie conductora o semiconductora del segundo elemento o substrato (S) de unos productos (D) originados por reacción de las moléculas del gas o gases de efecto invernadero activadas químicamente por el campo eléctrico.

5. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende introducir dicho gas o mezcla de gases (G) en una cámara cerrada (C) en el interior de la cual se hallan dispuestas dicha punta (P) y dicho segundo elemento (S).

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende una etapa previa de reducción de la humedad en el interior de dicha cámara (C).

7. Método según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha etapa previa de reducción de la humedad se lleva a cabo mediante el bombeo en dicha cámara cerrada (C) de aire seco.

8. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende utilizar como punta (P) de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM) una punta metálica.

9. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende utilizar como punta (P) de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM) una punta de un material semiconductor.

10. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende utilizar como punta (P) de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM) una punta aislante recubierta por una película conductora (Rc).

11. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha aplicación de dicho voltaje (V) a través de al menos dicha punta (P) mediante la aplicación de una tensión continua.

12. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha aplicación de dicho voltaje (V) a través de al menos dicha punta (P) mediante la aplicación de unos pulsos de voltaje con una frecuencia predeterminada.

13. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque dichos pulsos de voltaje aplicados son rectangulares.

14. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende utilizar dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM) operando en sus modos de contacto y/o en sus modos dinámicos.

15. Método según la reivindicación 1, 2, 4 ó 14, caracterizado porque comprende utilizar unos mecanismos de realimentación de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM).

16. Método según la reivindicación 1 ó 14, caracterizado porque comprende utilizar dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM) prescindiendo de la utilización de mecanismos de realimentación.

17. Método según la reivindicación 1, 2 ó 4, caracterizado porque al menos uno de dichos primer y segundo elementos (S) comprende una superficie formada por múltiples protrusiones o estructuras para aumentar localmente el campo eléctrico aplicado entre ambos elementos.

18. Método según la reivindicación 2 ó 4, caracterizado porque comprende desplazar de forma continua la punta (P) del microscopio de fuerzas atómicas (AFM) sobre dicha superficie enfrentada de dicho substrato (S) mientras se aplica un voltaje (V) para activar químicamente una pluralidad de moléculas de dicho gas o gases de efecto invernadero.

19. Método según la reivindicación 2, 4 ó 15, caracterizado porque comprende desplazar paso a paso la punta (P) del microscopio de fuerzas atómicas (AFM) sobre dicha superficie enfrentada de dicho substrato (S) mientras se aplica un voltaje (V) para activar químicamente una pluralidad de moléculas de dicho gas o gases de efecto invernadero.

20. Método según la reivindicación 19, caracterizado porque cuando comprende llevar a cabo dicho desplazamiento paso a paso de la punta (P), el método comprende la realización de las siguientes etapas de manera secuencial:

a) establecer en primer lugar la distancia entre la punta (P) y dicha superficie enfrentada del substrato (S) mediante la utilización del mecanismo o sistema de realimentación del microscopio (AFM),

b) aplicar un primer pulso de voltaje,

c) desplazar la punta (P) lateralmente hasta una segunda zona de la superficie enfrentada,

d) establecer la distancia entre la punta (P) y dicha segunda zona de la superficie enfrentada mediante la utilización del mecanismo o sistema de realimentación del microscopio (AFM),

e) aplicar un segundo pulso de voltaje,

y realizar una pluralidad de grupos de etapas c) a e) para una pluralidad de zonas de la superficie enfrentada del segundo elemento (S).

21. Método según la reivindicación 2, 4 ó 17, caracterizado porque comprende utilizar una pluralidad de dichas protrusiones (Pr) como una pluralidad de puntas unidas para aplicar dicho campo eléctrico entre dicha pluralidad de protrusiones (Pr) y dicha superficie conductora o semiconductora de dicho segundo elemento, o substrato (S), de dimensiones macroscópicas.

22. Método según la reivindicación 21, caracterizado porque comprende utilizar una pieza común (Pc) integradora de dichas protrusiones (Pr).

23. Método según la reivindicación 22, caracterizado porque comprende utilizar como dicha pieza común (Pc) un sello con una pluralidad de motivos, de los utilizados en procesos de estampación, siendo cada uno de dichos motivos una respectiva de dichas protrusiones (Pr).

24. Sistema para reducir o eliminar el contenido de gases de efecto invernadero en un gas o mezcla de gases, del tipo que comprende:

- una cámara cerrada (C) con al menos una entrada para la introducción de un gas de efecto invernadero o de una mezcla de gases (G) contenedora de al menos un gas de efecto invernadero,

- un primer (P) y un segundo (S) elementos al menos parcialmente conductores dispuestos en el interior dicha cámara (C),

- una fuente de tensión (V) en conexión con al menos uno de dichos elementos (P, S) para aplicar un voltaje a través de al menos uno de dichos elementos (P, S), generando un campo eléctrico entre los mismos afectando a un volumen de dicho gas de efecto invernadero o de dicha mezcla de gases (G) dispuesto entre ambos electrodos (P, S),

estando dicho sistema caracterizado porque comprende un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) en conexión con dicha fuente de tensión (V), siendo dicho primer elemento al menos una punta (P), o protrusión utilizada como punta, de dicho microscopio de fuerzas atómicas (AFM).