Et simpelt, billigt materiale til kulstoffangst, måske fra udstødningsrør

Ved at bruge en billig polymer kaldet melamin - hovedkomponenten i Formica - har kemikere skabt en billig, nem og energieffektiv måde at opfange kuldioxid fra skorstene, et nøglemål for USA og andre nationer, når de søger at reducere drivhusgasemissioner .

Processen til at syntetisere melaminmaterialet, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Science Advances , potentielt kan nedskaleres for at opfange emissioner fra køretøjers udstødning eller andre bevægelige kilder til kuldioxid. Kuldioxid fra afbrænding af fossilt brændstof udgør omkring 75 % af alle drivhusgasser, der produceres i USA.

Det nye materiale er enkelt at fremstille og kræver primært hyldevare melaminpulver - som i dag koster omkring 40 $ pr. ton - sammen med formaldehyd og cyanursyre, et kemikalie, der blandt andet tilsættes klor til swimmingpools.

"Vi ønskede at tænke på et kulstoffangstmateriale, der var afledt af kilder, der var virkelig billige og nemme at få fat på. Og så besluttede vi at starte med melamin," sagde Jeffrey Reimer, professor ved Graduate School i Institut for Kemi og Biomolecular Engineering ved University of California, Berkeley, og en af ​​de tilsvarende forfattere af papiret.

Det såkaldte melaminporøse netværk fanger kuldioxid med en effektivitet, der kan sammenlignes med tidlige resultater for et andet relativt nyt materiale til kulstoffangst, organiske metalstrukturer eller MOF'er. UC Berkeley kemikere skabte den første sådan kulstoffangst MOF i 2015, og efterfølgende versioner har vist sig endnu mere effektive til at fjerne kuldioxid fra røggasser, såsom dem fra et kulfyret kraftværk.

Men Haiyan Mao, en postdoktor ved UC Berkeley, som er førsteforfatter til papiret, sagde, at melaminbaserede materialer bruger meget billigere ingredienser, er lettere at lave og er mere energieffektive end de fleste MOF'er. De lave omkostninger ved porøs melamin betyder, at materialet kan anvendes bredt.

"I denne undersøgelse fokuserede vi på billigere materialedesign til opsamling og opbevaring og belysning af interaktionsmekanismen mellem CO₂ og materialet," sagde Mao. "Dette arbejde skaber en generel industrialiseringsmetode mod bæredygtig CO₂ optagelse ved hjælp af porøse netværk. Vi håber, at vi kan designe et fremtidigt tilbehør til at opfange bilers udstødningsgas, eller måske en vedhæftning til en bygning eller endda en belægning på overfladen af ​​møbler."

Arbejdet er et samarbejde mellem en gruppe på UC Berkeley ledet af Reimer; en gruppe ved Stanford University ledet af Yi Cui, som er direktør for Precourt Institute for Energy, Somorjai Visiting Miller Professor ved UC Berkeley og en tidligere UC Berkeley postdoc; UC Berkeley professor ved Graduate School Alexander Pines; og en gruppe på Texas A&M University ledet af Hong-Cai Zhou. Jing Tang, en postdoc-stipendiat ved Stanford og Stanford Linear Accelerator Center og en gæsteforsker ved UC Berkeley, er førsteforfatter sammen med Mao.

Kulstofneutralitet i 2050

Selvom afbrænding af fossile brændstoffer er afgørende for at standse klimaændringer, er en vigtig foreløbig strategi at opfange emissioner af kuldioxid – den vigtigste drivhusgas – og opbevare gassen under jorden eller omdanne CO₂ til brugbare produkter. Det amerikanske energiministerium har allerede annonceret projekter på i alt 3,18 milliarder dollars for at booste avancerede og kommercielt skalerbare teknologier til kulstoffangst, -anvendelse og -sekvestrering (CCUS) for at nå en ambitiøs røggas CO₂ fangsteffektivitetsmål på 90 %. Det ultimative amerikanske mål er netto nul CO2-emissioner i 2050.

Men kulstoffangst er langt fra kommercielt levedygtigt. Den bedste teknik i dag involverer at lede røggasser gennem flydende aminer, som binder CO₂ . Men det kræver store mængder energi at frigive kuldioxiden, når den først er bundet til aminerne, så den kan koncentreres og opbevares under jorden. Aminblandingen skal opvarmes til mellem 120 og 150 grader Celsius (250-300 grader Fahrenheit) for at regenerere CO₂ .

I modsætning hertil opfanger det porøse melaminnetværk med DETA og cyanursyremodifikation CO₂ ved omkring 40 grader Celsius, lidt over stuetemperatur, og frigiver det ved 80 grader Celsius, under kogepunktet for vand. Energibesparelserne kommer af ikke at skulle opvarme stoffet til høje temperaturer.

I sin forskning fokuserede Berkeley/Stanford/Texas-teamet på den almindelige polymer melamin, som ikke kun bruges i Formica, men også billigt spisestel og redskaber, industrielle belægninger og anden plast. Behandling af melaminpulver med formaldehyd - hvilket forskerne gjorde i kilogram mængder - skaber nanoskala porer i melaminen, som forskerne troede ville absorbere CO₂ .

Mao sagde, at test bekræftede, at formaldehyd-behandlet melamin adsorberede CO₂ noget, men adsorptionen kunne forbedres meget ved at tilføje et andet aminholdigt kemikalie, DETA (diethylentriamin), for at binde CO₂ . Hun og hendes kolleger fandt efterfølgende ud af, at tilsætning af cyanursyre under polymerisationsreaktionen øgede porestørrelsen dramatisk og radikalt forbedrede CO₂ indfangningseffektivitet:Næsten al kuldioxiden i en simuleret røggasblanding blev absorberet inden for ca. 3 minutter.

Tilsætningen af ​​cyanursyre gjorde det også muligt at bruge materialet igen og igen.

Mao og hendes kolleger udførte solid-state nuklear magnetisk resonans (NMR) undersøgelser for at forstå, hvordan cyanursyre og DETA interagerede for at gøre kulstoffangst så effektivt. Undersøgelserne viste, at cyanursyre danner stærke hydrogenbindinger med melaminnetværket, der hjælper med at stabilisere DETA og forhindrer det i at udvaskes af melaminporerne under gentagne cyklusser med kulstoffangst og regenerering.

"Hvad Haiyan og hendes kolleger var i stand til at vise med disse elegante teknikker er præcis, hvordan disse grupper blander sig, præcis hvordan CO₂ reagerer med dem, og at hun i nærværelse af denne poreåbnende cyanursyre er i stand til at cykle CO₂ tænd og sluk mange gange med kapacitet, der er rigtig god," sagde Reimer. "Og den hastighed, hvormed CO₂ adsorberer er faktisk ret hurtig i forhold til nogle andre materialer. Så alle de praktiske aspekter på laboratorieskalaen af ​​dette materiale til CO₂ capture er blevet opfyldt, og det er bare utrolig billigt og nemt at lave."

"Ved at bruge faststof-kernemagnetiske resonansteknikker har vi systematisk belyst i hidtil usete detaljer på atomniveau mekanismen for de amorfe netværks reaktion med CO₂ ," sagde Mao. "For energi- og miljøsamfundet skaber dette arbejde en højtydende, solid-state netværksfamilie sammen med en grundig forståelse af mekanismerne, men opmuntrer også udviklingen af ​​forskning i porøse materialer fra trial-and-error metoder til rationel, trin-for-trin modulering på atomniveau."

Reimer- og Cui-grupperne fortsætter med at justere porestørrelsen og amingrupperne for at forbedre kulstoffangningseffektiviteten i melaminporøse netværk, samtidig med at energieffektiviteten bevares. Dette involverer brug af en teknik kaldet dynamisk kombinatorisk kemi til at variere andelen af ​​ingredienser for at opnå effektiv, skalerbar, genanvendelig og højkapacitets CO₂ fange.

Reimer og Mao har også samarbejdet tæt med Cui-gruppen i Stanford for at syntetisere andre typer materialer, herunder hierarkiske nanoporøse membraner - en klasse af nanokompositter kombineret med en kulstofkugle og grafenoxid - og hierarkiske nanoporøse kulstoffer fremstillet af fyrretræ for at adsorbere kulstof dioxid. Reimer udviklede solid-state NMR specifikt til at karakterisere den mekanisme, hvorved faste materialer interagerer med kuldioxid, for at designe bedre materialer til kulstoffangst fra miljøet og energilagring. Cui udviklede en robust og bæredygtig solid-state platform og fremstillingsteknikker til at skabe nye materialer til at håndtere klimaændringer og energilagring. + Udforsk yderligere

Kulstoffangning tager svampelignende form med ny omkostningseffektiv metode