Zespół badawczy z Uniwersytetu Chiba w Japonii opracował nową klasę materiałów węglowych zwanych wiciazytami. Rozwój ten może rozwiązać jeden z głównych problemów technologii klimatycznej: ogromne koszty energii związane z wychwytywaniem dwutlenku węgla (CO2).
Wysoki koszt „oczyszczania” powietrza
Chociaż technologie wychwytywania dwutlenku węgla są niezbędne do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, ich powszechne zastosowanie w przemyśle stanowi wyzwanie. Główną przeszkodą jest niska efektywność energetyczna.
Obecnie standardem branżowym jest czyszczenie aminami wodnymi. Proces ten wymaga podgrzania ogromnych ilości cieczy do temperatury ponad 100°C tylko w celu uwolnienia uwięzionego CO2 i przygotowania systemu do ponownego użycia. Tak duże zapotrzebowanie na energię cieplną sprawia, że proces jest niezwykle kosztowny i energochłonny, co często niweczy część korzyści dla środowiska.
Innowacja: precyzyjna inżynieria molekularna
Przez lata naukowcy poszukiwali stałych materiałów węglowych jako tańszej alternatywy. Materiały tego typu są niedrogie i posiadają dużą powierzchnię, co czyni je doskonałymi „absorbentami” CO2. Jednak wcześniejsze próby poprawy ich właściwości poprzez dodanie grup azotowych skutkowały „chaotycznym” rozmieszczeniem atomów. Ta losowość uniemożliwiała przewidzenie działania materiału lub jego optymalizację.
Przełomem dokonanym przez profesora nadzwyczajnego Yasuhiro Yamada i jego zespół jest kontrola strukturalna. Zamiast losowego rozmieszczenia utworzyli „wiciasites” — materiały, w których grupy azotowe są ułożone obok siebie w przewidywalny i możliwy do kontrolowania wzór.
Jak to działa: trzy różne typy struktur
Używając różnych chemicznych składników wyjściowych i precyzyjnych metod syntezy, naukowcy stworzyli trzy różne typy struktur azotowych:
- Sąsiadujące aminy pierwszorzędowe (–NH2): Osiągnięto 76% selektywności.
- Sąsiedni azot pirolowy: osiągnięta selektywność 82%.
- Sąsiedni azot pirydynowy: osiągnięta selektywność 60%.
Zespół wykorzystał zaawansowane narzędzia, w tym spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego i modelowanie komputerowe, aby potwierdzić, że atomy azotu rzeczywiście były blisko siebie upakowane i nie były losowo rozproszone.
Dlaczego to ma znaczenie: desorpcja w niskich temperaturach
Najbardziej znaczącym odkryciem był sposób, w jaki można łatwo uwolnić CO2 (desorpcja ) w celu ponownego użycia. Wydajność różniła się znacznie w zależności od lokalizacji azotu:
- Lider w wydajności: Materiały z sąsiadującymi grupami –NH2 umożliwiały uwalnianie CO2 w temperaturach poniżej 60°C.
- Zaleta przemysłowa: Ponieważ materiały te działają w znacznie niższych temperaturach, można je zasilać ciepłem przemysłowym pochodzącym z recyklingu. Oznacza to, że rośliny mogłyby potencjalnie wychwytywać własne emisje, wykorzystując już wyprodukowane ciepło, radykalnie zmniejszając koszty operacyjne.
- Opcja trwałości: Opcja azotu pirolowego wymaga wyższych temperatur, ale ma większą stabilność chemiczną, co czyni ją bardziej obiecującą w przypadku długotrwałego użytkowania.
Więcej niż wychwytywanie dwutlenku węgla
Konsekwencje tych badań wykraczają poza walkę ze zmianami klimatycznymi. Ponieważ viazyty pozwalają na „molekularną kontrolę” powierzchni materiału, w przyszłości można je wykorzystać do:
– Usuwanie jonów metali z wody.
– Używaj jako wysoce wydajnych katalizatorów w reakcjach chemicznych.
„Ta praca zapewnia sprawdzone ścieżki syntezy opracowanych materiałów węglowych zawierających azot, zapewniając kontrolę molekularną niezbędną do opracowania technologii wychwytywania CO2 nowej generacji, które są opłacalne i zaawansowane”. — Dr. Yasuhiro Yamada
Wniosek: Przechodząc od przypadkowych mieszanin chemicznych do precyzyjnie zaprojektowanych struktur „wiciasite”, naukowcy utorowali drogę do wychwytywania dwutlenku węgla, które jest nie tylko bardziej wydajne, ale może być również zasilane niskiej jakości ciepłem przemysłowym.
