Výzkumný tým z univerzity Chiba v Japonsku vyvinul novou třídu uhlíkových materiálů zvanou viciazity. Tento vývoj může vyřešit jeden z hlavních problémů klimatických technologií: enormní energetické náklady na zachycování oxidu uhličitého (CO2).
Vysoké náklady na „čištění“ vzduchu
Zatímco technologie zachycování uhlíku jsou zásadní pro snížení emisí skleníkových plynů, jejich široké průmyslové přijetí je náročné. Hlavní překážkou je nízká energetická účinnost.
Dnes je průmyslovým standardem vodní čištění aminů. Tento proces vyžaduje zahřátí obrovských objemů kapaliny na teploty přes 100 °C, jen aby se uvolnil zachycený CO2 a připravil systém pro opětovné použití. Taková vysoká potřeba tepelné energie činí tento proces neuvěřitelně drahým a energeticky náročným, což často neguje některé přínosy pro životní prostředí.
Inovace: Přesné molekulární inženýrství
Po celá léta se vědci dívali na pevné uhlíkové materiály jako na levnější alternativu. Takové materiály jsou levné a mají velký povrch, což z nich dělá vynikající „absorbenty“ CO2. Předchozí pokusy zlepšit jejich vlastnosti přidáním dusíkatých skupin však vedly k „chaotickému“ rozložení atomů. Tato náhodnost znemožňovala předvídat výkon materiálu nebo jej optimalizovat.
Průlomem, který provedl docent Yasuhiro Yamada a jeho tým, je strukturální kontrola. Místo náhodného umístění vytvořili „viciasity“ – materiály, ve kterých jsou dusíkové skupiny uspořádány vedle sebe v předvídatelném a kontrolovatelném vzoru.
Jak to funguje: tři různé typy struktury
Pomocí různých chemických výchozích složek a metod přesné syntézy vytvořili vědci tři různé typy struktur dusíku:
- Přilehlé primární aminy (–NH2): Dosaženo 76% selektivity.
- Sousední pyrrolový dusík: Dosaženo 82% selektivity.
- Přilehlý pyridinový dusík: Dosaženo 60% selektivity.
Tým použil pokročilé nástroje, včetně nukleární magnetické rezonanční spektroskopie a počítačového modelování, aby potvrdil, že atomy dusíku byly skutečně těsně u sebe a nebyly rozptýleny náhodně.
Proč na tom záleží: desorpce při nízkých teplotách
Nejvýznamnějším objevem byl způsob, jak lze CO2 snadno uvolnit (desorpce ) pro opětovné použití. Účinnost se výrazně lišila v závislosti na umístění dusíku:
- Nejlepší v účinnosti: Materiály s sousedními –NH2 skupinami umožňovaly uvolňování CO2 při teplotách pod 60°C.
- Průmyslová výhoda: Protože tyto materiály fungují při mnohem nižších teplotách, mohou být poháněny recyklovaným průmyslovým teplem. To znamená, že závody by mohly potenciálně zachycovat své vlastní emise pomocí tepla, které již produkují, a radikálně tak snížit provozní náklady.
- Volba trvanlivosti: Volba s pyrrolovým dusíkem vyžaduje vyšší teploty, ale má větší chemickou stabilitu, takže je slibnější pro dlouhodobé použití.
Za zachycováním uhlíku
Důsledky tohoto výzkumu přesahují boj proti změně klimatu. Protože viazisity umožňují „molekulární kontrolu“ povrchu materiálu, mohly by být v budoucnu použity k:
– Odstranění kovových iontů z vody.
– Použití jako vysoce účinné katalyzátory pro chemické reakce.
“Tato práce poskytuje osvědčené cesty pro syntézu umělých uhlíkových materiálů obsahujících dusík, které poskytují molekulární kontrolu potřebnou k vytvoření technologií zachycování CO2 nové generace, které jsou nákladově efektivní a pokročilé.” — Dr. Yasuhiro Yamada
Závěr: Přechodem od náhodných chemických směsí k precizně navrženým „viciasitovým“ strukturám vědci vydláždili cestu k zachycování uhlíku, které je nejen efektivnější, ale může také fungovat na nekvalitní průmyslové teplo.
