Naukowcy z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleyopracowali nowy materiał do bezpośredniego wychwytywania powietrza, który przewyższa istniejące technologie.
Ta kowalencyjna struktura organiczna (COF) może skutecznie usuwać dwutlenek węgla z otaczającego powietrza, naśladując zdolność absorpcyjną drzew, ale w znacznie przyspieszonym tempie.
Wyzwania związane z wychwytywaniem dwutlenku węgla
Wychwytywanie i magazynowanie wytwarzanego przez nas dwutlenku węgla ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia emisji gazów cieplarnianych i spowolnienia globalnego ocieplenia. Jednak obecne technologie wychwytywania dwutlenku węgla są skuteczne tylko w przypadku skoncentrowanych źródeł węgla, takich jak emisje z elektrowni. Metody te nie pozwalają na wychwytywanie dwutlenku węgla z powietrza, którego stężenie jest setki razy niższe niż w spalinach.
Mimo to bezpośrednie wychwytywanie powietrza (DAC) jest postrzegane jako niezbędne do odwrócenia rosnącego poziomu CO2 poziomy, które osiągnęły obecnie 426 części na milion (ppm), czyli o około 50% więcej niż poziomy przed rewolucją przemysłową. Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu ostrzega, że bez DAC nie osiągniemy celu, jakim jest ograniczenie globalnego ocieplenia do 1,5°C (2,7°F) powyżej historycznych średnich światowych.
Przełom w bezpośrednim przechwytywaniu powietrza
Pomóc w tym może nowy materiał opracowany przez chemików z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Ten porowaty materiał, znany jako kowalencyjna struktura organiczna (COF), może skutecznie wychwytywać CO2 z powietrza bez rozkładu przez wodę lub inne zanieczyszczenia – są to kwestie ograniczające obecne technologie DAC.
„Wzięliśmy proszek tego materiału, włożyliśmy go do tuby i wpuściliśmy do materiału powietrze z Berkeley – po prostu powietrze z zewnątrz – aby zobaczyć, jak się zachowa. Efekt był piękny. Całkowicie oczyścił powietrze z CO2. Wszystko” – powiedział Omar Yaghi, profesor chemii Jamesa i Neeltje Tretterów na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i starszy autor artykułu opublikowanego 23 października w czasopiśmie Natura.
„Jestem tym podekscytowany, ponieważ nie ma nic podobnego pod względem wydajności. Otwiera to nowe możliwości w naszych wysiłkach na rzecz rozwiązania problemu klimatycznego” – dodał.
Zwiększanie wychwytywania dwutlenku węgla za pomocą COF
Według Yaghi nowy materiał można łatwo zastąpić systemami wychwytywania dwutlenku węgla już wdrożonymi lub będącymi w fazie pilotażowej w celu usuwania CO2 z emisji z rafinerii i wychwytywania CO z atmosfery2 do składowania pod ziemią.
Absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Zihui Zhou, pierwszy autor artykułu, powiedział, że zaledwie 200 gramów materiału, czyli nieco mniej niż pół funta, może pochłonąć tyle samo CO2 w ciągu roku — 20 kilogramów (44 funtów) — jako drzewo.
„Wychwytywanie gazów spalinowych to sposób na spowolnienie zmian klimatycznych, ponieważ staramy się nie uwalniać CO2 do powietrza. Bezpośrednie wychwytywanie powietrza to metoda, która pozwala nam wrócić do stanu sprzed 100 lub więcej lat” – powiedział Zhou. „Obecnie CO2 Stężenie w atmosferze przekracza 420 ppm, ale wzrośnie do około 500 lub 550, zanim w pełni rozwiniemy i zastosujemy wychwytywanie gazów spalinowych. Jeśli więc chcemy zmniejszyć stężenie i wrócić do może 400–300 ppm, musimy zastosować bezpośrednie wychwytywanie powietrza”.
Postęp w rozwoju materiałów
Yaghi jest wynalazcą COF i MOF-y (szkielety metaloorganiczne), z których obie są sztywnymi strukturami krystalicznymi z regularnie rozmieszczonymi porami wewnętrznymi, które zapewniają dużą powierzchnię dla przylegania lub adsorbowania gazów. Niektóre MOF opracowane przez niego i jego laboratorium mogą adsorbować wodę z powietrza nawet w suchych warunkach, a po podgrzaniu uwalniać ją do picia. Mówi, że pracuje nad MOF-ami do wychwytywania dwutlenku węgla od lat 90. XX wieku, na długo przed pojawieniem się przetwornika DAC na ekranach radarów większości ludzi.
Dwa lata temu w jego laboratorium powstało bardzo obiecujący materiał MOF-808, który adsorbuje CO2ale naukowcy odkryli, że po setkach cykli adsorpcji i desorpcji MOF uległy zniszczeniu. Te MOF zostały ozdobione wewnątrz aminami (NH2 grupy), które skutecznie wiążą CO2 i są powszechnym składnikiem materiałów wychwytujących węgiel. W rzeczywistości dominująca metoda wychwytywania węgla polega na przepuszczaniu gazów spalinowych przez ciekłe aminy, które wychwytują dwutlenek węgla. Yaghi zauważył jednak, że energochłonna regeneracja i lotność ciekłych amin utrudnia ich dalszą industrializację.
Wyzwania i innowacje w CO2 Wchłanianie
Pracując z kolegami, Yaghi odkrył, dlaczego niektóre MOF ulegają degradacji w zastosowaniach DAC — są niestabilne w warunkach zasadowych, w przeciwieństwie do kwaśnych, a aminy są zasadami. On i Zhou współpracowali z kolegami z Niemiec i Chicago, aby zaprojektować mocniejszy materiał, który nazwali COF-999. Podczas gdy MOF są utrzymywane razem przez atomy metali, COF są utrzymywane razem przez kowalencyjne wiązania podwójne węgiel-węgiel i węgiel-azot, jedne z najsilniejszych wiązań chemicznych w przyrodzie.
Podobnie jak w przypadku MOF-808, pory COF-999 są wewnątrz ozdobione aminami, co pozwala na wchłanianie większej ilości CO2 cząsteczki.
„Łapanie CO2 z powietrza to bardzo trudny problem” – powiedział Yaghi. „Jest to materiał wymagający energetycznie, potrzebny jest materiał o dużej zawartości dwutlenku węgla, wysoce selektywny, wodoodporny, odporny na utlenianie i nadający się do recyklingu. Musi mieć niską temperaturę regeneracji i być skalowalny. To duże wyzwanie jak na materiał. Ogólnie rzecz biorąc, na dzień dzisiejszy wdrożono roztwory amin, które są energochłonne, ponieważ opierają się na obecności amin w wodzie, a woda wymaga dużo energii do ogrzania, lub materiały stałe, które ostatecznie z czasem ulegają degradacji. ”
Yaghi i jego zespół spędzili ostatnie 20 lat na opracowywaniu COF, które mają wystarczająco mocny szkielet, aby wytrzymać zanieczyszczenia, od kwasów i zasad po wodę, siarkę i azot, które degradują inne porowate materiały stałe. COF-999 składa się ze szkieletu polimerów olefinowych z przyłączoną grupą aminową. Po utworzeniu porowatego materiału jest on przepłukiwany większą liczbą amin, które przyłączają się do NH2 i tworzą krótkie polimery aminowe wewnątrz porów. Każda amina może wychwycić około jednego CO2 cząsteczka.
Gdy 400 ppm CO2 powietrze jest pompowane przez COF o temperaturze pokojowej (25°C) i wilgotności 50%, osiąga połowę wydajności w ciągu około 18 minut i jest napełniany w ciągu około dwóch godzin. Zależy to jednak od formy próbki i po optymalizacji można przyspieszyć do ułamka minuty. Ogrzewanie do stosunkowo niskiej temperatury – 60°C lub 140°F – uwalnia CO2a COF jest gotowy do adsorbowania CO2 Ponownie. Może pomieścić do 2 milimoli CO2 na gram, wyróżniając się spośród innych sorbentów stałych.
Przyszłe kierunki i integracja AI
Yaghi zauważył, że nie wszystkie aminy w wewnętrznych łańcuchach poliaminowych wychwytują obecnie CO2więc możliwe jest powiększenie porów, aby związać je ponad dwukrotnie.
„Ten COF ma mocny chemicznie i termicznie stabilny szkielet, wymaga mniej energii, a my pokazaliśmy, że może wytrzymać 100 cykli bez utraty pojemności. Nie wykazano, aby jakikolwiek inny materiał zachowywał się tak dobrze” – powiedział Yaghi. „To w zasadzie najlepszy dostępny materiał do bezpośredniego wychwytywania powietrza”.
Yaghi jest co do tego optymistą sztuczna inteligencja może pomóc przyspieszyć projektowanie jeszcze lepszych COF i MOF do wychwytywania dwutlenku węgla lub do innych celów, w szczególności poprzez identyfikację warunków chemicznych wymaganych do syntezy ich struktur krystalicznych. Jest dyrektorem naukowym centrum badawczego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, Bakar Institute of Digital Materials for the Planet (BIDMaP), który wykorzystuje sztuczną inteligencję do opracowywania opłacalnych, łatwych do wdrożenia wersji MOF i COF, aby pomóc ograniczyć i zaradzić wpływom zmiany klimatyczne.
„Jesteśmy bardzo, bardzo podekscytowani połączeniem sztucznej inteligencji z chemią, którą tworzymy” – powiedział.
Odniesienie: „Wychwytywanie dwutlenku węgla z otwartego powietrza przy użyciu kowalencyjnych struktur organicznych” autorstwa Zihui Zhou, Tianqiong Ma, Heyang Zhang, Saumil Chheda, Haozhe Li, Kaiyu Wang, Sebastian Ehrling, Raynald Giovine, Chuanshuai Li, Ali H. Alawadhi, Marwan M. Abduljawad, Majed O. Alawad, Laura Gagliardi, Joachim Sauer i Omar M. Yaghi, 23 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08080-x
Prace zostały sfinansowane przez Miasto Nauki i Technologii Króla Abdulaziza w Arabia Saudyjskastartup Yaghi zajmujący się wychwytywaniem dwutlenku węgla, Atoco Inc., Fifth Generation’s Love, Tito’s i BIDMaP. Współpracownikami Yaghiego są Joachim Sauer, wizytujący naukowiec z Uniwersytetu Humboldta w Berlinie w Niemczech oraz specjalistka ds. obliczeń Laura Gagliardi z Instytutu Uniwersytet w Chicago.
