Buckyballs forbedrer kulstoffangst:Miljøvenligt materiale er rettet mod røggasser, brønde

(Phys.org) – Rice University-forskere har opdaget en miljøvenlig kulstoffangstmetode, der kunne være lige så dygtig til at trække kuldioxidemissioner fra industrielle røggasser og naturgasbrønde.

Kemikeren Andrew Barrons Rice-laboratorium afslørede i en proof-of-concept-undersøgelse, at aminrige forbindelser er yderst effektive til at opfange drivhusgassen, når de kombineres med kulstof-60-molekyler.

Undersøgelsen er genstand for et oplæg med åben adgang i dag i Natures online-tidsskrift Videnskabelige rapporter .

"Vi havde to mål, " sagde Barron. "En var at gøre forbindelsen 100 procent selektiv mellem kuldioxid og metan ved ethvert tryk og temperatur. Den anden var at reducere den høje temperatur, som andre aminopløsninger krævede for at få kuldioxiden ud igen. Vi har haft succes på begge punkter."

Test fra et til 50 atmosfærisk tryk viste, at risforbindelsen fangede en femtedel af sin vægt i kuldioxid, men ingen målelig mængde metan, Barron sagde, og materialet blev ikke nedbrudt over mange absorptions-/desorptionscyklusser.

Kulstof-60, det fodboldformede molekyle også kendt som buckminsterfulleren (eller "buckyball") blev opdaget ved Rice af nobelprismodtagere Richard Smalley, Robert Curl og Harold Kroto i 1985. Den ultimative krumning af buckyballs kan gøre dem til den bedst mulige måde at binde aminmolekyler på, der fanger kuldioxid, men tillader ønskelig metan at passere igennem.

Rislaboratoriet brugte buckyballs som tværbindere mellem aminer, nitrogenbaserede molekyler trukket fra polyethylenimin. Laboratoriet producerede en brun, svampet materiale, hvori hydrofobe (vandundgående) buckyballs tvang de hydrofile (vandsøgende) aminer til ydersiden, hvor passerende kuldioxid kunne binde sig til det udsatte kvælstof.

Da Barron og hans team begyndte at kombinere kulstof og aminer for flere år siden, de bemærkede en interessant udvikling:Flad grafen absorberede kuldioxid godt, flervæggede nanorør absorberede det bedre, og tyndere enkeltvæggede nanorør endnu bedre. "Det tydede på, at krumningen var vigtig, " sagde Barron. "C-60, være en sfære, har den højest mulige krumning blandt kulstofmaterialer."

Han sagde, at risforbindelsen sammenlignet positivt med andre carbon-fangstkandidater baseret på metalorganiske rammer (MOF'er). "Det svarer omtrent til de bedste MOF'er til kulstoffangst, men vores materiale er langt mere selektivt. Metan absorberer bare ikke, " sagde Barron. I modsætning til MOF'er, han bemærkede, at risforbindelsen absorberede både våd kuldioxid og tør.

Barron sagde, at det er lige så vigtigt, at forbindelsen frigiver kuldioxid effektivt til genbrug. "Vi bemærkede for lang tid siden, at hvis vi knyttede aminer til kulstofnanorør eller grafen, de sænkede temperaturen, hvorved kuldioxid opløses, " sagde Barron. Industrielle aminbaserede scrubbere skal opvarmes til 140 grader Celsius for at frigive opfanget kuldioxid; at sænke temperaturen ville spare energi.

"Sammenlignet med omkostningerne ved den nuværende anvendte amin, C-60 er dyr, " Barron indrømmede. "Men energiomkostningerne ville være lavere, fordi du ville have brug for mindre for at fjerne kuldioxiden." Han bemærkede, at industrielle scrubbere mister aminer gennem opvarmning, så de skal hele tiden fyldes op. "De tilføjer for altid reagens, hvilket er rart for de virksomheder, der sælger amin, men ikke så godt for dem, der forsøger at adskille kuldioxiden."

Forskerne forfølger måder at forbedre forbindelsens kapacitet og absorptionshastighed. "Vi forstår virkelig mekanismen, hvilket er vigtigt, " sagde Barron. "Det giver os mulighed for at skubbe det videre."

Hovedforfatter Enrico Andreoli er tidligere Rice postdoc-forsker og nu seniorlektor ved Swansea University, Wales. Medforfattere er tidligere kandidatstuderende Eoghan Dillon, bachelor-alumna Laurie Cullum og seniorforsker Lawrence Alemany, hele ris. Barron er Charles W. Duncan Jr.-Welch professor i kemi og professor i materialevidenskab og nanoteknik.