Vanadiumforskning gør et vigtigt fremskridt for at opfange kulstof fra luften

Et kemisk grundstof, der er så visuelt slående, at det blev opkaldt efter en gudinde, viser et "Goldilocks"-niveau af reaktivitet – hverken for meget eller for lidt – hvilket gør det til en stærk kandidat som kulstofskrubbeværktøj.

Grundstoffet er vanadium og forskning udført af Oregon State University-forskere, offentliggjort i Chemical Science , har demonstreret evnen hos vanadiumperoxidmolekyler til at reagere med og binde kuldioxid – et vigtigt skridt mod forbedrede teknologier til at fjerne kuldioxid fra atmosfæren.

Undersøgelsen er en del af en 24 millioner dollars føderal indsats for at udvikle nye metoder til direkte luftindfangning, eller DAC, af kuldioxid, en drivhusgas, der produceres ved afbrænding af fossile brændstoffer og er forbundet med klimaændringer.

Faciliteter, der filtrerer kulstof fra luften, er begyndt at dukke op rundt om på kloden, men de er stadig i deres vorden. Teknologier til afbødning af kuldioxid ved indtrængen i atmosfæren, såsom ved kraftværker, er mere veludviklede. Begge typer kulstoffangst vil sandsynligvis være nødvendige, hvis Jorden skal undgå de værste udfald af klimaændringer, siger videnskabsmænd.

I 2021 blev Oregon State May Nyman, Terence Bradshaw Chemistry Professor i College of Science, valgt som leder af et af ni direkte luftfangstprojekter finansieret af Department of Energy. Hendes team undersøger, hvordan nogle overgangsmetalkomplekser kan reagere med luft for at fjerne kuldioxid og omdanne det til et metalcarbonat, svarende til det, der findes i mange naturligt forekommende mineraler.

Overgangsmetaller er placeret nær midten af ​​det periodiske system, og deres navn stammer fra overgangen af ​​elektroner fra lavenergi til højenergitilstande og tilbage igen, hvilket giver anledning til karakteristiske farver. Til denne undersøgelse landede forskerne på vanadium, opkaldt efter Vanadis, det gamle nordiske navn for den skandinaviske kærlighedsgudinde, der siges at være så smuk, at hendes tårer blev til guld.

Nyman forklarer, at kuldioxid findes i atmosfæren med en tæthed på 400 ppm. Det betyder, at for hver 1 million luftmolekyler er 400 af dem kuldioxid eller 0,04 %.

"En udfordring med direkte luftindfangning er at finde molekyler eller materialer, der er selektive nok, eller andre reaktioner med mere rigelige luftmolekyler, såsom reaktioner med vand, vil udkonkurrere reaktionen med CO₂ ," sagde Nyman. "Vores team syntetiserede en række molekyler, der indeholder tre dele, der er vigtige for at fjerne kuldioxid fra atmosfæren, og de arbejder sammen."

Den ene del var vanadium, så navngivet på grund af den række af smukke farver, den kan udvise, og en anden del var peroxid, som bundede til vanadinet. Fordi et vanadiumperoxidmolekyle er negativt ladet, havde det brug for alkalikationer til ladningsbalancen, sagde Nyman, og forskerne brugte kalium-, rubidium- og cæsiumalkalikationer til denne undersøgelse.

Hun tilføjede, at samarbejdspartnerne også forsøgte at erstatte vanadium med andre metaller fra det samme kvarter i det periodiske system.

"Tungsten, niobium og tantal var ikke så effektive i denne kemiske form," sagde Nyman. "På den anden side var molybdæn så reaktivt, at det nogle gange eksploderede."

Derudover erstattede forskerne ammonium og tetramethylammonium, hvoraf førstnævnte er mildt surt, med alkalierne. Disse forbindelser reagerede slet ikke, et puslespil, som forskerne stadig forsøger at forstå.

"Og da vi fjernede peroxidet, igen, ikke så meget reaktivitet," sagde Nyman. "I denne forstand er vanadiumperoxid en smuk, lilla Guldlok, der bliver gylden, når den udsættes for luft og binder et kuldioxid-molekyle."

Hun bemærker, at en anden værdifuld egenskab ved vanadium er, at det giver mulighed for den forholdsvis lave frigivelsestemperatur på omkring 200°C for den opfangede kuldioxid.

"Det er sammenlignet med næsten 700 ° C, når det er bundet til kalium, lithium eller natrium, andre metaller, der bruges til kulstoffangst," sagde hun. "At være i stand til at genudgive den opfangede CO₂ muliggør genbrug af kulstoffangstmaterialerne, og jo lavere temperatur, der kræves for at gøre det, jo mindre energi er der behov for, og jo mindre omkostninger. Der er nogle meget kloge ideer om genbrug af opfanget kulstof, der allerede er implementeret – for eksempel at røre den opfangede CO₂ ind i et drivhus for at dyrke planter."

Andre Oregon State-forfattere på papiret omfattede Tim Zuehlsdorff, assisterende professor i teoretisk/fysisk kemi, og postdoc-forsker Eduard Garrido.

"Jeg er også virkelig stolt af det hårde arbejde fra kandidatstuderende i mit laboratorium, Zhiwei Mao og Karlie Bach, og bachelorstuderende Taylor Linsday," sagde Nyman. "Dette er et helt nyt område for mit laboratorium såvel som for Tim Zuehlsdorff, som vejledte ph.d.-studerende Jacob Hirschi på beregningsstudierne for at forklare reaktionsmekanismerne. At starte et nyt studieområde involverer mange ubekendte."

Flere oplysninger: Eduard Garrido Ribó et al., Implementering af vanadiumperoxider som direkte luft-kulstoffangstmaterialer, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D

Leveret af Oregon State University