At finde ny kemi til at fange det dobbelte kulstof
At finde måder at opfange, opbevare og bruge kuldioxid (CO2 ) er fortsat et presserende globalt problem. Efterhånden som temperaturerne fortsætter med at stige, holder CO2 fra at komme ind i atmosfæren kan hjælpe med at begrænse opvarmningen, hvor der stadig er brug for kulstofbaserede brændstoffer.
Der er gjort betydelige fremskridt med at skabe overkommelige, praktiske kulstoffangstteknologier. Kulstoffangende væsker, kaldet opløsningsmidler, når de er til stede i overflod, kan effektivt fange CO2 molekyler fra kulfyrede kraftværker, papirfabrikker og andre emissionskilder. Men disse arbejder alle gennem den samme grundlæggende kemi, eller det har forskere antaget.
I nyt værk udgivet i Nature Chemistry , blev forskere overraskede over at opdage, at et velkendt opløsningsmiddel er endnu mere lovende end oprindeligt forventet. Nye detaljer om opløsningsmidlets underliggende struktur tyder på, at væsken kunne indeholde dobbelt så meget CO2 som tidligere antaget. Den nyligt afslørede struktur kan også indeholde nøglen til at skabe en række kulstofbaserede materialer, der kan hjælpe med at holde endnu mere CO2 ud af atmosfæren.
Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) teamet udviklede opløsningsmidlet for flere år siden og har studeret det i en række forskellige scenarier. Holdet har arbejdet på at skrue ned for omkostningerne ved at bruge opløsningsmidlet og skrue op for dets effektivitet. Sidste år afslørede de det mindst omkostningskrævende CO2-opsamlingssystem til dato. Det var under denne undersøgelse, at holdet bemærkede noget mærkeligt.
"Vi forsøgte at lave en anden type højtryksgasseparation," sagde David Heldebrant, en PNNL-kemiker og co-korresponderende forfatter. "Vi så, at løsningen blev betydeligt tykkere, og en ny top dukkede op i vores spektre, hvilket tydede på, at noget nyt var dannet. Det var fuldstændig uventet, og vi vidste, at vi skulle til bunds i det."
Heldebrant nåede ud til sine samarbejdspartnere ved University Claude Bernard Lyon 1 og University of Texas i El Paso for at hjælpe med at udrede de molekylære ændringer bag resultaterne.
"Dette arbejde er en virkelig tværfaglig og samarbejdende indsats," sagde Jose Leobardo Bañuelos, professor ved University of Texas i El Paso. "De spørgsmål, vi skulle stille, krævede mere end blot én type ekspertise. Vi så på opløsningsmidlets overordnede struktur, når det udsættes for CO2 og så væsentligt mere orden, end vi havde forventet."
Molekylerne, så det ud til, klumrede sig, når de burde parres. Men hvad betød de nye, ryddeligt ordnede strukturer?
Forårsager forandring gennem klynger
Da holdet tog et nyt kig på opløsningsmidlet-CO2 system ved hjælp af analytiske kemiske værktøjer, detekterede de selvsamlede klynger af opløsningsmiddelmolekyler. Først forsøgte forskerne at tilpasse dataene til en model ved hjælp af kun to molekyler opløsningsmiddel. På trods af deres startforventning passede dataene bare ikke.
Da forskerne brugte en model med fire opløsningsmiddelmolekyler, faldt resultaterne på plads. En fire-komponent klynge var faktisk formen for det opløsningsmiddel, holdet havde set. Den fleksible struktur kan gennemgå en række skift for at imødekomme indgående CO2 molekyler. CO2 når til sidst kernen af klyngen, hjemsted for en aktiv sitelomme, der kan ligne dem, der findes inde i enzymer. Faktisk ser den overordnede klyngestruktur og interaktioner ud til at ligne proteiner.
Den aktive site-bindingslomme er i centrum af den nyligt observerede kemi. Typisk fungerer kulstoffangstsystemer med en enkelt CO2 molekyle, der binder og kan reagere og danne noget andet. At have alt begrænset til reaktioner, der involverer én CO2 begrænser de næste trin i kulstofomdannelsen. Klyngen muliggør noget andet.
Den uventede top, som holdet oprindeligt fandt, svarer til dannelsen af en ny art, der omfatter to forskellige molekyler af CO2 . Klyngerne inkorporerer CO2 trinvist, først indfanger og aktiverer det ene molekyle efterfulgt af det andet. Dataene viser en kooperativ effekt - med et molekyle CO2 bundet ændrer, hvordan det andet molekyle binder.
"Vi er virkelig begejstrede for de nye muligheder for opløsningsmiddeldesign, som dette åbner op for," sagde Heldebrant. "Hvis vi kan finde måder at bevidst indbygge samarbejdsevne, der forbedrer CO2 bindende, kunne vi ændre, hvordan kulstoffangstsystemer fungerer."
Find ny reaktivitet
Når begge CO2 molekyler er inde i klyngen, de kan reagere med hinanden og skabe forskellige kulstofbaserede molekyler, der kan udvide potentielle anvendelser af opfanget CO2 .
"Det, vi gør her, er at ændre en stor variabel i processen," sagde Heldebrant. "Vi har historisk fanget hver CO2 på egen hånd. Binding to CO2 sammen kunne hjælpe os med effektivt at fordoble lagerkapaciteten af vores opsamlingssystemer."
De nyforbundne molekyler har meget andre egenskaber end CO2 . Dette ændrer den kemi, der kræves for at adskille det opfangede kulstof fra opløsningsmidlet. Disse CO2 -baserede molekyler er større og repræsenterer et første skridt mod at skabe CO2 -rige polymerer.
Et vedvarende problem med opfanget kulstof er, hvad man skal gøre med det. Mens langtidslagring af CO2 er en mulighed, det giver logistiske udfordringer og kan tilføje omkostninger til en i forvejen dyr fangstproces. At finde måder at konvertere opfanget CO2 til økonomisk værdifulde produkter, kunne hjælpe med at kompensere for fangstomkostninger og give et skridt mod et lukket kulstofkredsløb.
Ved at slutte sig til to CO2 molekyler sammen under det indledende fangsttrin, præsenterer dette arbejde en ny måde at nærme sig kulstofkonvertering og -udnyttelse. I stedet for at starte med CO2 , kunne forskere have forskellige muligheder for at skabe nye kemikalier. Dette åbner døre til forskellige typer kemi, der tidligere blev anset for urealistisk for CO2 konvertering. Disse potentielle næste skridt er kun mulige ved at fokusere på den grundlæggende videnskab bag kulstoffangst.
"Der haster så meget med at implementere kulstoffangstsystemer," sagde Julien Leclaire, professor ved universitetet Claude Bernard Lyon 1 og med-korresponderende forfatter til papiret. "Vi udforsker ikke altid detaljerne i molekylær skala af disse processer på grund af deres kompleksitet. Men nogle gange kan vi finde indsigt, der forbinder molekylær og storstilet adfærd."
Ud over Heldebrant omfatter PNNL-forskere Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo og Jaelynne King. Ud over Leclaire omfatter forskere fra University Claude Bernard Lyon 1 Jean Septavaux og Marc Hennenbelle.
Flere oplysninger: Julien Leclaire et al., Tetramerisk selvsamling af vandfattige opløsningsmidler muliggør carbamatanhydrid-baseret CO2-opsamlingskemi, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01495-z
Journaloplysninger: Naturkemi
Leveret af Pacific Northwest National Laboratory
Varme artikler
-
Blyfri magnetiske perovskitterKredit:CC0 Public Domain Forskere ved Linköpings Universitet, Sverige, arbejder med perovskite-materialefamilien, har udviklet en optoelektronisk magnetisk dobbeltperovskit. Opdagelsen åbner mulig -
Forskere kaster nyt lys over påvisning af influenzaVirale kulturer er guldstandarden for diagnosticering af influenza, men det tager flere dage at udvikle sig. Ved at målrette et enzym, der er iboende for virussen og identificere dets tilstedeværelse -
Nye keramiske nanofiber svampe kan bruges til fleksibel isolering, vandrensningForskere har udviklet et svampelignende materiale fremstillet af keramiske nanofibre. Materialet bevarer den varmebestandighed, der gør keramik nyttig i højtemperaturindstillinger, men er også meget d -
Ny med-tech zinksensor udvikletCNBP -forsker Dr Sabrina Heng. Kredit:CNBP En ny zinksensor er blevet udviklet af forskere, hvilket giver mulighed for en dybere forståelse af de dynamiske roller, metalioner spiller i regulering
- Sådan beregnes en kopi
- Tidsopløste målinger viser, at kolloidale nanoplateter virker som kvantebrønde
- Hydrogel-assisteret mikrofluidisk spinding af strækbare fibre via fluidisk og grænseflade-selvtilp…
- 3 stadier af Interphase
- Store fødevarevirksomheder har mindre magt, end du måske tror
- Precalculus Tips