Naukowcy zsyntetyzowali cząsteczki przy użyciu nadtlenków tytanu do wychwytywania dwutlenku węgla, co stanowi postęp w technologii bezpośredniego wychwytywania powietrza.
Ich odkrycia sugerują, że związki na bazie tytanu mogą stanowić tańsze i skuteczniejsze rozwiązanie w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla w porównaniu ze starszymi metodami.
Przełom w technologii wychwytywania dwutlenku węgla
Naukowcy z Oregon State University zsyntetyzowali nowe cząsteczki, które skutecznie wychwytują duże ilości dwutlenku węgla z powietrza, co stanowi kluczowy krok w walce ze zmianami klimatycznymi.
Ich prace skupiają się na nadtlenkach tytanu i opierają się na wcześniejszych badaniach nad nadtlenkami wanadu. Badanie to stanowi część szerszej inicjatywy federalnej mającej na celu stworzenie innowacyjnych metod i materiałów do bezpośredniego wychwytywania z powietrza (DAC) dwutlenku węgla, który jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do globalnego ocieplenia spowodowanego spalaniem paliw kopalnych.
Badania prowadzone pod kierunkiem May Nyman i Karlie Bach z College of Science OSU zostały opublikowane 12 grudnia w czasopiśmie Chemia materiałów.
Ulepszone bezpośrednie przechwytywanie powietrza
W 2021 r. Nyman, profesor chemii Terence’a Bradshawa w College of Science na OSU, został wybrany do kierowania jednym z dziewięciu projektów bezpośredniego wychwytywania powietrza finansowanych z inwestycji Departamentu Energii o wartości 24 milionów dolarów. Jej zespół bada, w jaki sposób niektóre związki metali przejściowych reagują z powietrzem, ekstrahując dwutlenek węgla i przekształcając go w stabilne węglany metali, podobne do naturalnie występujących minerałów.
Metale przejściowe znajdują się w pobliżu środka układu okresowego, a ich nazwa wzięła się od przejścia elektronów ze stanów o niskiej energii do stanu o wysokiej energii i z powrotem, dając charakterystyczne kolory.
Urządzenia filtrujące dwutlenek węgla z powietrza są jeszcze w powijakach. Technologie łagodzenia emisji dwutlenku węgla w miejscach jego przedostania się do atmosfery, np. w elektrowniach, są bardziej zaawansowane. Naukowcy twierdzą, że jeśli Ziemia ma uniknąć najgorszych skutków zmian klimatycznych, prawdopodobnie potrzebne będą oba rodzaje wychwytywania dwutlenku węgla.
Obecnie w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Europie działa łącznie 18 zakładów bezpośredniego wychwytywania powietrza plany za dodatkowe 130 na całym świecie. Wyzwania związane z bezpośrednim wychwytywaniem powietrza obejmują duże koszty i wysokie wymagania energetyczne w porównaniu do pracy z przemysłowymi układami wydechowymi. Ponadto stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, wynoszące cztery części na milion, jest niskie, co stanowi wyzwanie dla wydajności materiałów wychwytujących dwutlenek węgla.
Ekonomiczne i wydajne rozwiązania w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla
„Zdecydowaliśmy się przyjrzeć tytanowi, ponieważ jest 100 razy tańszy od wanadu, występuje w większej ilości, jest bardziej przyjazny dla środowiska i ma już ugruntowaną pozycję w zastosowaniach przemysłowych” – powiedział Bach, absolwent w laboratorium Nymana. „Znajduje się on także tuż obok wanadu w układzie okresowym, więc postawiliśmy hipotezę, że zachowanie wychwytywania dwutlenku węgla może być na tyle podobne do wanadu, aby było skuteczne”.
Bach, Nyman i reszta zespołu badawczego wykonali kilka nowych struktur tytanianu tetraperokso – tytanu atom skoordynowane z czterema grupami nadtlenkowymi – które wykazywały różną zdolność do usuwania dwutlenku węgla z powietrza. Struktury tetraperokso są zwykle wysoce reaktywne ze względu na grupy nadtlenkowe, które są silnymi środkami utleniającymi.
Powiązane peroksotytaniany badano pod kątem ich potencjalnych zastosowań w katalizie, chemii środowiska i materiałoznawstwie. Jednakże tetraperoksotytaniany biorące udział w tym badaniu nigdy nie zostały ostatecznie zsyntetyzowane; Bach był w stanie wykorzystać niedrogie materiały do wysokowydajnych reakcji chemicznych.
„Naszą ulubioną strukturą wychwytującą węgiel, którą odkryliśmy, jest tetraperoksotytanian potasu, który jest wyjątkowo wyjątkowy, ponieważ okazuje się, że jest również peroksosolwatem” – powiedział Bach. „Oznacza to, że oprócz wiązań nadtlenkowych z tytanem ma on także w swojej strukturze nadtlenek wodoru, co naszym zdaniem czyni go tak reaktywnym”.
Zmierzona zdolność wychwytywania węgla wyniosła około 8,5 milimola dwutlenku węgla na gram tetraperoksotytanianu potasu – mniej więcej dwukrotnie więcej niż nadtlenku wanadu.
„Tytan jest tańszym, bezpieczniejszym materiałem i ma znacznie większą pojemność” – powiedział Bach.
Nazwany na cześć tytanów z mitologii greckiej, tytan jest tak mocny jak stal, ale znacznie lżejszy. Jest nietoksyczny, nie ulega łatwo korozji i jest dziewiątym pod względem liczebności pierwiastkiem w skorupie ziemskiej – występuje w skałach, glebie, roślinach, a nawet w śladowych ilościach w organizmie człowieka.
Odniesienie: „Tetraperoksotyniany do bezpośredniego wychwytywania dwutlenku węgla o dużej wydajności” autorstwa: Karlie Bach, Eduard Garrido Ribó, Jacob S. Hirschi, Zhiwei Mao, Makenzie T. Nord, Lev N. Zakharov, Konstantinos A. Goulas, Tim J. Zuehlsdorff i maja Nymana, 12 grudnia 2024 r., Chemia materiałów.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.4c01795
Inni autorzy artykułu ze stanu Oregon to adiunkci Tim Zuehlsdorff i Konstantinos Goulas, badacz ze stopniem doktora Eduard Garrido Ribó, absolwenci Jacob Hirschi, Zhiwei Mao i Makenzie Nord oraz krystalograf Lev Zakharov, tymczasowy kierownik Zakładu Dyfrakcji Rentgena OSU.
Fundacja Murdock Charitable Trust również wsparła te badania poprzez grant na instrument.
