Forskere finder en bedre måde at opfange kulstof fra industrielle emissioner

Forskere ved Oregon State University College of Science har demonstreret potentialet i et billigt nanomateriale til at skrubbe kuldioxid fra industrielle emissioner.

Resultaterne, offentliggjort i Cell Reports Physical Science , er vigtige, fordi forbedrede kulstoffangstmetoder er en nøgle til at håndtere klimaændringer, sagde OSU's Kyriakos Stylianou, der ledede undersøgelsen.

Kuldioxid, en drivhusgas, stammer fra afbrænding af fossile brændstoffer og er en af ​​de primære årsager til et opvarmende klima.

Faciliteter, der filtrerer kulstof fra luften, begynder at dukke op rundt om i verden - verdens største åbnede i 2021 i Island - men de er ikke klar til at gøre et stort indhug i det verdensomspændende emissionsproblem, bemærker Stylianou. På et år kan det islandske anlæg trække en mængde kuldioxid, der svarer til de årlige emissioner fra omkring 800 biler.

Imidlertid er teknologier til at afbøde kuldioxid ved indtrængen i atmosfæren, såsom en fabrik, forholdsvis veludviklede. En af disse teknologier involverer nanomaterialer kendt som metalorganic frameworks eller MOF'er, der kan opsnappe kuldioxidmolekyler gennem adsorption, når røggasser trænger igennem skorstene.

"Opfangningen af ​​kuldioxid er afgørende for at opfylde netto-nul-emissionsmålene," sagde Stylianou, en assisterende professor i kemi. "MOF'er har vist meget lovende for kulstoffangst på grund af deres porøsitet og deres strukturelle alsidighed, men at syntetisere dem betyder ofte at bruge reagenser, der er dyre både økonomisk og miljømæssigt, såsom tungmetalsalte og giftige opløsningsmidler."

Derudover komplicerer håndteringen af ​​vanddelen af ​​skorstensgasser i høj grad at fjerne kuldioxiden, sagde han. Mange MOF'er, der har vist kulstoffangstpotentiale, mistede deres effektivitet under fugtige forhold. Røggasser kan tørres, sagde Stylianou, men det tilføjer betydelige omkostninger til processen til fjernelse af kuldioxid, nok til at gøre den ikke-levedygtig til industrielle anvendelser.

"Så vi søgte at komme med en MOF for at løse de forskellige begrænsninger af de materialer, der i øjeblikket anvendes til kulstoffangst:høje omkostninger, dårlig selektivitet for kuldioxid, lav stabilitet under fugtige forhold og lav CO₂ optagelseskapacitet," sagde han.

MOF'er er krystallinske, porøse materialer, der består af positivt ladede metalioner omgivet af organiske "linker"-molekyler kendt som ligander. Metalionerne laver knudepunkter, der binder linkers arme for at danne en gentagende struktur, der ligner noget som et bur; strukturen har porer i nanostørrelse, der adsorberer gasser, svarende til en svamp.

MOF'er kan designes med en række komponenter, som bestemmer MOF's egenskaber, og der er millioner af mulige MOF'er, sagde Stylianou. Næsten 100.000 af dem er blevet syntetiseret af kemiforskere, og egenskaberne for en anden halv million er blevet forudsagt.

"I denne undersøgelse introducerer vi en MOF sammensat af aluminium og en let tilgængelig ligand, benzen-1,2,4,5-tetracarboxylsyre," sagde Stylianou. "Syntesen af ​​MOF sker i vand og tager kun et par timer. Og MOF har porer med en størrelse, der kan sammenlignes med CO₂ molekyler, hvilket betyder, at der er et begrænset rum til indespærring af kuldioxid."

MOF'en fungerer godt under fugtige forhold og foretrækker også kuldioxid frem for nitrogen, hvilket er vigtigt, fordi nitrogenoxider er en ingrediens i røggasser. Uden den selektivitet ville MOF potentielt binde til de forkerte molekyler.

"Denne MOF er en fremragende kandidat til våd post-forbrænding carbon capture applikationer," sagde Stylianou. "Det er omkostningseffektivt med enestående separationsydelse og kan regenereres og genbruges mindst tre gange med sammenlignelig optagelseskapacitet."

Forskere fra Columbia University, Pacific Northwest National Laboratory og Chemspeed Technologies AG i Schweiz deltog også i denne forskning, og det samme gjorde Oregon State kemikerne Ryan Loughran, Tara Hurley og Andrzej Gładysiak.

Flere oplysninger: Ryan P. Loughran et al., CO2-opsamling fra våd røggas ved hjælp af en vandstabil og omkostningseffektiv metal-organisk ramme, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101470

Journaloplysninger: Cell Rapporter Fysisk Videnskab

Leveret af Oregon State University