Opsamling af drivhusgasser ved hjælp af lys

Hvis vi vil bremse den globale opvarmning, er vi nødt til at reducere udledningen af ​​drivhusgasser drastisk. Vi skal blandt andet undvære fossile brændstoffer og bruge mere energieffektive teknologier.

Men en reduktion af emissionerne alene vil ikke være nok til at opfylde klimamålene. Vi skal også opfange store mængder af drivhusgassen CO₂ fra atmosfæren og enten opbevare det permanent under jorden eller bruge det som et kulstofneutralt foderstof i industrien. Desværre kræver de kulstoffangstteknologier, der er tilgængelige i dag, meget energi og er tilsvarende dyre.

Derfor er forskere ved ETH Zürich ved at udvikle en ny metode, der bruger lys. Med denne proces vil den energi, der kræves til kulstoffangst, i fremtiden komme fra solen. Deres arbejde er blevet udgivet i Chemistry of Materials .

Lysstyret syrekontakt

Anført af Maria Lukatskaya, professor i elektrokemiske energisystemer, udnytter forskerne det faktum, at CO₂ i sure vandige væsker er til stede som CO₂ , men i alkaliske vandige væsker reagerer det og danner salte af kulsyre, kendt som carbonater. Denne kemiske reaktion er reversibel. En væskes surhedsgrad bestemmer, om den indeholder CO₂ eller et karbonat.

For at påvirke surhedsgraden af ​​deres væske tilføjede forskerne molekyler, kaldet fotosyrer, der reagerer på lys. Hvis en sådan væske derefter bestråles med lys, gør molekylerne den sur. I mørke vender de tilbage til den oprindelige tilstand, der gør væsken mere basisk.

Sådan fungerer ETH-forskernes metode i detaljer:Forskerne adskiller CO₂ fra luften ved at lede luften gennem en væske indeholdende fotosyrer i mørke. Da denne væske er basisk, er CO₂ reagerer og danner carbonater. Så snart saltene i væsken har akkumuleret i betydelig grad, bestråler forskerne væsken med lys. Dette gør det surt, og carbonaterne omdannes til CO₂ .

CO₂ bobler ud af væsken, ligesom det gør i en flaske cola, og kan opsamles i gastanke. Når der næsten ikke er CO₂ efterladt i væsken, slukker forskerne lyset, og cyklussen starter forfra, med væsken klar til at opfange CO₂ .

Det hele afhænger af blandingen

I praksis var der dog et problem:De anvendte fotosyrer er ustabile i vand. "I løbet af vores tidligste eksperimenter indså vi, at molekylerne ville nedbrydes efter en dag," siger Anna de Vries, en doktorand i Lukatskayas gruppe og hovedforfatter af undersøgelsen.

Så Lukatskaya, de Vries og deres kolleger analyserede molekylets henfald. De løste problemet ved at køre deres reaktion ikke i vand, men i en blanding af vand og et organisk opløsningsmiddel. Forskerne var i stand til at bestemme det optimale forhold mellem de to væsker ved laboratorieforsøg og var i stand til at forklare deres resultater takket være modelberegninger udført af forskere fra Sorbonne-universitetet i Paris.

For det første gjorde denne blanding dem i stand til at holde fotosyremolekylerne stabile i opløsningen i næsten en måned. For det andet sikrede det, at lys kunne bruges til at skifte opløsningen frem og tilbage efter behov mellem at være sur og at være basisk. Hvis forskerne skulle bruge det organiske opløsningsmiddel uden vand, ville reaktionen være irreversibel.

Gør uden opvarmning

Andre kulstoffangstprocesser er også cykliske. En etableret metode fungerer med filtre, der opsamler CO₂ molekyler ved omgivelsestemperatur. For efterfølgende at fjerne CO₂ fra filtrene skal disse opvarmes til omkring 100° Celsius. Opvarmning og afkøling er imidlertid energikrævende:De tegner sig for den største del af den energi, der kræves af filtermetoden.

"I modsætning hertil behøver vores proces ikke nogen opvarmning eller afkøling, så det kræver meget mindre energi," siger Lukatskaya. Mere end det, så virker ETH-forskernes nye metode potentielt med sollys alene.

"Et andet interessant aspekt ved vores system er, at vi kan gå fra alkalisk til surt på få sekunder og tilbage til alkalisk inden for få minutter. Det lader os skifte mellem kulstoffangning og frigivelse meget hurtigere end i et temperaturdrevet system," forklarer de Vries.

Med denne undersøgelse har forskerne vist, at fotosyrer kan bruges i laboratoriet til at opfange CO₂ . Deres næste skridt på vejen til markedsmodenhed vil være at øge fotosyremolekylernes stabilitet yderligere. De skal også undersøge parametrene for hele processen for at optimere den yderligere.

Flere oplysninger: Anna de Vries et al., Solvation-Tuned Photoacid som en stabil lysdrevet pH-switch til CO2-opsamling og frigivelse, Materialerkemi (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435

Journaloplysninger: Materialernes kemi

Leveret af ETH Zürich