Naukowcy opracowali strukturę metaloorganiczną, która skutecznie wychwytuje CO2 w temperaturach typowych dla spalin przemysłowych, np. z cementowni i stalowni.
W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które wymagają chłodzenia gazów spalinowych, ten nowy materiał działa wydajnie w temperaturach do 300°C (570°F), oferując obiecujące rozwiązanie dla branż, w których dekarbonizacja jest trudna.
Wysokotemperaturowy CO2 Przechwytuj wyzwania
Zakłady przemysłowe, takie jak te produkujące cement czy stal, emitują duże ilości dwutlenku węgla, silnego gazu cieplarnianego. Jednakże ich spaliny są często zbyt gorące dla obecnych technologii usuwania węgla, które wymagają dużo energii i wody do schłodzenia strumieni gorących gazów. To wymaganie dotyczące chłodzenia utrudniło niektórym z najbardziej emitujących gałęzie przemysłu przyjęcie CO2 schwytać.
Teraz chemicy z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleyodkryli, że porowaty materiał może działać jak gąbka, wychwytując CO2 w temperaturach zbliżonych do temperatur wielu przemysłowych strumieni spalin. Materiał – rodzaj struktury metaloorganicznej (MOF) – zostanie opisany w artykule, który zostanie opublikowany w drukowanym wydaniu czasopisma z 15 listopada Nauka.
Dominującą metodą wychwytywania węgla z emisji z elektrowni lub zakładów przemysłowych jest wykorzystanie ciekłych amin do absorpcji CO2ale reakcja przebiega skutecznie tylko w temperaturach od 40 do 60 ° C (100–140 ° F). Cementownie i huty stali wytwarzają spaliny o temperaturze przekraczającej 200 °C (400 °F), a niektóre spaliny przemysłowe zbliżają się do 500 °C (930 °F). Nowe materiały, które są obecnie przedmiotem pilotażu, w tym podklasa MOF-y z dodatkiem amin, rozkładają się w temperaturach powyżej 150 ° C (300 ° F) lub działają znacznie mniej wydajnie.
Zalety MOF w wychwytywaniu dwutlenku węgla
„Do odprowadzania strumieni gorącego gazu i schładzania ich do odpowiednich temperatur, aby istniejące technologie wychwytywania dwutlenku węgla mogły działać, konieczna jest kosztowna infrastruktura” – powiedział Kurtis Carsch, doktorant z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, jeden z dwóch współautorów artykułu. „Nasze odkrycie może zmienić sposób, w jaki naukowcy myślą o wychwytywaniu dwutlenku węgla. Odkryliśmy, że MOF może wychwytywać dwutlenek węgla w niespotykanie wysokich temperaturach – temperaturach istotnych dla wielu CO2 procesy emitujące. Było to coś, czego wcześniej nie uważano za możliwe w przypadku porowatego materiału”.
„Nasza praca odchodzi od powszechnych badań nad systemami wychwytywania dwutlenku węgla na bazie amin i demonstruje nowy mechanizm wychwytywania dwutlenku węgla w MOF, który umożliwia pracę w wysokiej temperaturze” – powiedziała Rachel Rohde, absolwentka Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i współautorka pierwszej autorki.
Eksperymentalny sukces i przyszły potencjał
Podobnie jak wszystkie MOF, materiał ten zawiera porowaty, krystaliczny układ jonów metali i łączników organicznych, a jego powierzchnia wewnętrzna odpowiada około sześciu boiskom piłkarskim na łyżkę stołową, co stanowi ogromny obszar pochłaniający gazy.
„Dzięki swojej unikalnej strukturze MOF mają dużą gęstość miejsc, w których można wychwytywać i uwalniać CO2 w odpowiednich warunkach” – powiedział Carsch.
W symulowanych warunkach naukowcy wykazali, że ten nowy typ MOF może wychwytywać gorący CO2 w stężeniach odpowiednich dla strumieni spalin z zakładów produkujących cement i stal, które średnio wynoszą od 20% do 30% CO2a także mniej skoncentrowane emisje z elektrowni gazowych, które zawierają około 4% CO2.
Wyjście poza tradycyjne wychwytywanie dwutlenku węgla
Usuwanie CO2 pochodzące z emisji przemysłowych i elektrowni, a następnie składowane pod ziemią lub wykorzystywane do produkcji paliw lub innych substancji chemicznych o wartości dodanej, to kluczowa strategia mająca na celu redukcję gazów cieplarnianych, które ocieplają Ziemię i zmieniają klimat na całym świecie. Chociaż odnawialne źródła energii już zmniejszają zapotrzebowanie na CO2-emisyjne elektrownie spalające paliwa kopalne i zakłady przemysłowe intensywnie wykorzystujące paliwa kopalne są trudniejsze do zapewnienia zrównoważonego rozwoju, dlatego niezbędne jest wychwytywanie gazów spalinowych.
„Musimy zacząć myśleć o CO2 emisje z branż takich jak produkcja stali i cementu, które trudno zdekarbonizować, ponieważ jest prawdopodobne, że nadal będą emitować CO2, nawet jeśli nasza infrastruktura energetyczna będzie w większym stopniu skupiać się na odnawialnych źródłach energii” – powiedział Rohde.
Przyszłość technologii wychwytywania dwutlenku węgla
Rohde i Carsch prowadzą badania w laboratorium Jeffreya Longa, profesora chemii, inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Long prowadził badania nad CO2-adsorbowanie MOF przez ponad dekadę. Jego laboratorium stworzyło obiecujący materiał w 2015 r., który był dalej rozwijany przez start-up Longa, Mosaic Materials, który w 2022 r. przejęta przez firmę zajmującą się technologią energetyczną Baker Hughes. Materiał ten zawiera aminy, które wychwytują CO2; Testowane są warianty nowej generacji jako alternatywy dla wodnych amin dla CO2 wychwytywania w zakładach pilotażowych oraz jako sposób na wychwytywanie CO2 bezpośrednio z otaczającego powietrza.
Jednak te MOF, podobnie jak inne porowate adsorbenty, są nieskuteczne w podwyższonych temperaturach związanych z wieloma gazami spalinowymi, powiedział Carsch.
Adsorbenty na bazie amin, takie jak te opracowane przez Longa, od dziesięcioleci są w centrum badań nad wychwytywaniem dwutlenku węgla. Zamiast tego MOF badany przez Rohde, Carscha, Longa i ich współpracowników zawiera pory ozdobione miejscami wodorku cynku, które również wiążą CO2. Miejsca te okazały się zaskakująco stabilne, powiedział Rohde.
Stabilność i skuteczność nowego materiału MOF
„Molekularne wodorki metali mogą być reaktywne i mieć niską stabilność” – powiedział Rohde. „Ten materiał jest bardzo stabilny i umożliwia głębokie wychwytywanie dwutlenku węgla, co oznacza, że może wychwycić 90% lub więcej CO2 z którym się styka, a właśnie tego potrzebujesz do przechwytywania sygnału ze źródła punktowego. I ma CO2 wydajności porównywalne z MOF-ami z dodatkiem aminy, chociaż w znacznie wyższych temperaturach.”
Po napełnieniu MOF CO2CO2 można usunąć lub zdesorbować poprzez obniżenie ciśnienia cząstkowego CO2albo przepłukując go innym gazem, albo umieszczając go w próżni. MOF jest wówczas gotowy do ponownego użycia w kolejnym cyklu adsorpcji.
Wydajność w wysokich temperaturach i kierunki badań
„Ponieważ entropia sprzyja posiadaniu cząsteczek takich jak CO2 w fazie gazowej coraz bardziej wraz ze wzrostem temperatury, ogólnie uważano, że wychwytywanie takich cząsteczek za pomocą porowatego ciała stałego w temperaturach powyżej 200°C jest niemożliwe” – powiedział Long. „Ta praca pokazuje, że przy odpowiedniej funkcjonalności – w tym przypadku zakładów wodorku cynku – szybkiego, odwracalnego i wydajnego wychwytywania CO2 rzeczywiście można osiągnąć w wysokich temperaturach, takich jak 300°C.”
Rohde, Long i ich współpracownicy badają warianty tego wodorku metalu MOF, aby zobaczyć, jakie inne gazy mogą zaadsorbować, a także modyfikacje, które pozwolą takim materiałom zaadsorbować jeszcze więcej CO2.
„Mamy szczęście, że dokonaliśmy tego odkrycia, które otworzyło nowe kierunki w nauce o separacji, skupionej na projektowaniu funkcjonalnych adsorbentów, które mogą pracować w wysokich temperaturach” – powiedział Carsch, który objął stanowisko wykładowcy na Wydziale Chemii Uniwersytetu Uniwersytet Teksasu w Austin. „Istnieje ogromna liczba sposobów dostrojenia jonu metalu i łącznika w MOF, dzięki czemu możliwe będzie racjonalne zaprojektowanie takich adsorbentów do innych wysokotemperaturowych procesów separacji gazów istotnych dla przemysłu i zrównoważonego rozwoju”.
Odniesienie: „Wysokotemperaturowe wychwytywanie dwutlenku węgla w materiale porowatym z końcowymi miejscami wodorku cynku” 14 listopada 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adk5697
Innymi autorami artykułu są Jeffrey Reimer, profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, którego laboratorium dostarczyło dowodów ze spektroskopii NMR na poparcie unikalnego mechanizmu CO2 wychwytywanie przez miejsca wodorku cynku w MOF; Craig Brown z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Gaithersburgu w stanie Maryland, który dostarczył również najważniejsze dane strukturalne potwierdzające proponowany mechanizm; oraz profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, Martin Head-Gordon, którego laboratorium dostarczyło obliczeniowego zrozumienia wysokotemperaturowego CO2 uchwycić zachowanie. Inni autorzy z UC Berkeley to Andrew Minor, profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley oraz Matthew Dods, Henry Jiang, Alexandra McIsaac, Hyunchul Kwon, Sarah Karstens, Yang Wang, Adrian Huang, Jordan Taylor, Yuto Yabuuchi, Nikolay Tkachenko, Katie Meihausa, Hiroyasu Furukawy i Kaitlyn Engler.
Rohde otrzymał stypendium dla absolwentów Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej, natomiast Carsch otrzymał stypendium podoktorskie od Fundacji Arnolda O. Beckmana.
