Naukowcy z OSU zwiększyli zdolność MOF do wychwytywania dwutlenku węgla o ponad 100%, używając amoniaku, tworząc stabilną, energooszczędną alternatywę dla tradycyjnych sorbentów. Ten rozwój jest widoczny MOF-ypotencjał w zakresie redukcji przemysłowych emisji CO2 i innych zastosowań.
Naukowcy z Oregon State University opracowali metodę ponad dwukrotnie zwiększającą zdolność absorpcji struktury chemicznej, którą można wykorzystać do usuwania dwutlenku węgla z fabrycznych kanałów spalinowych.
Badanie z udziałem struktur metaloorganicznych (MOF) jest ważne, ponieważ działalność przemysłowa, w tym spalanie paliw kopalnych w celu uzyskania energii, odpowiada za znaczny procent gazów cieplarnianych w atmosferze ziemskiej. Według danych USA, 16% całkowitej emisji dwutlenku węgla pochodzi z przemysłu Agencja Ochrony Środowiska.
Badacze z OSU pod kierunkiem Kyriakosa Stylianou z College of Science pracowali z MOF na bazie miedzi i odkryli, że jego skuteczność w absorpcji dwutlenku węgla wzrosła ponad dwukrotnie po pierwszym wystawieniu na działanie gazowego amoniaku.
„Zdobycie CO2 ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów zerowej emisji netto” – powiedział Stylianou, profesor chemii. „MOF okazały się bardzo obiecujące ze względu na ich porowatość i wszechstronność strukturalną”.
Zrozumienie MOF: struktura i zastosowania
MOF to materiały krystaliczne składające się z dodatnio naładowanych jonów metali otoczonych organicznymi cząsteczkami „łącznika” znanymi jako ligandy. Jony metali tworzą węzły, które łączą ramiona łączników, tworząc powtarzającą się strukturę, która wygląda jak klatka; struktura ma nanopory, które adsorbują gazy, podobnie jak gąbka.
MOF można zaprojektować z wykorzystaniem różnych komponentów, które określają właściwości MOF, a możliwych jest milion MOF, powiedział Stylianou. Badacze chemii zsyntetyzowali ponad 100 000 z nich, a przewidywano właściwości setek tysięcy innych.
Oprócz wychwytywania dwutlenku węgla i innych rodzajów gazów, MOF można stosować jako katalizatory oraz do magazynowania energii, dostarczania leków i oczyszczania wody.
Pod wpływem gazowego amoniaku MOF w tym badaniu MCBMOF-1 wykazał zdolność pochłaniania węgla porównywalną lub większą niż tradycyjne sorbenty na bazie amin, które są powszechnie stosowane do wychwytywania dwutlenku węgla w zastosowaniach przemysłowych. W porównaniu z sorbentami na bazie amin, MOF są bardziej stabilne i można je regenerować przy mniejszym zużyciu energii – w tym przypadku przez zanurzenie w wodzie.
„MOF jest aktywowany poprzez usunięcie cząsteczek wody w celu odsłonięcia czterech blisko położonych otwartych miejsc z miedzią” – powiedział Stylianou. „Następnie wprowadzamy gazowy amoniak, co powoduje zajęcie jednego z miejsc przez cząsteczkę amoniaku. Pozostałe miejsca przyciągają CO2promując interakcję z amoniakiem, tworząc karbaminian gatunek.”
Karbaminiany – związki o szerokim zastosowaniu w przemyśle, rolnictwie i medycynie – są uwalniane podczas zanurzenia w wodzie, co regeneruje nieskazitelną strukturę MOF, dzięki czemu nadaje się on do ponownego wykorzystania do ciągłego wychwytywania dwutlenku węgla.
Implikacje dla przyszłych badań i zastosowań
Odkrycia podkreślają, że struktury MOF można dostosować za pomocą grup funkcyjnych, aby wzmocnić ich interakcje z określonymi cząsteczkami docelowymi, takimi jak dwutlenek węgla, powiedział Stylianou; podobne strategie można zastosować do innych MOF i gazów.
„W naszym badaniu wykorzystaliśmy sekwencyjną funkcjonalizację porów w celu zwiększenia poziomu CO2 absorpcja energii bez znaczącego zwiększania energii regeneracyjnej to wspaniały postęp” – stwierdził. „Tworzenie miedziowo-karbaminowej kwas kompleks w porach sugeruje silne i selektywne interakcje z CO2co ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że CO2 jest preferencyjnie adsorbowany w stosunku do innych gazów w spalinach.”
Odniesienie: „Sekwencyjna funkcjonalizacja porów w MOF dla zwiększonego wychwytywania dwutlenku węgla” autorstwa Ankit K. Yadav, Andrzej Gładysiak, Ah-Young Song, Lei Gan, Casey R. Simons, Nawal M. Alghoraibi, Ammar H. Alahmed, Mourad Younes, Jeffrey A. Reimer, Hongliang Huang, José G. Planas i Kyriakos C. Stylianou, 3 grudnia 2024 r., JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.4c00808
Finansowanie: Saudi Aramco, Baydin Inc.
