Naukowcy z University of Colorado Boulder opracowali nowe narzędzie, które może prowadzić do wydajniejszych i tańszych technologii wychwytywania gazów z atmosfery i przekształcania ich w korzystne substancje, takie jak paliwo czy materiały budowlane. Taka technologia wychwytywania dwutlenku węgla może być potrzebna na dużą skalę, aby ograniczyć globalne ostrzeżenie w tym stuleciu do 2,7 stopnia F (1,5 Celsjusza) powyżej temperatur sprzed epoki przemysłowej i odeprzeć katastrofalne skutki globalnej zmiany klimatu.
Naukowcy opisują swoją technikę w artykule opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie iSCIENCE.
Metoda przewiduje, jak silne będzie wiązanie między dwutlenkiem węgla a cząsteczką, która go zatrzymuje, zwaną spoiwem. Ta diagnostyka elektrochemiczna może być z łatwością zastosowana do dowolnej cząsteczki, która jest chemicznie skłonna do wiązania się z dwutlenkiem węgla, co pozwala naukowcom zidentyfikować odpowiednich kandydatów molekularnych do wychwytywania dwutlenku węgla z codziennego powietrza.
„Świętym Graalem, jeśli chcesz, jest próba zbliżenia się do możliwości używania spoiw, które mogą wychwytywać dwutlenek węgla z powietrza [around us]a nie tylko skoncentrowane źródła” – powiedziała Oana Luca, współautorka nowego badania i adiunkt chemii. „Określenie siły spoiw pozwala nam dowiedzieć się, czy wiązanie będzie silne, czy słabe, i zidentyfikować kandydatów do przyszłych badań do bezpośredniego wychwytywania dwutlenku węgla ze źródeł rozcieńczonych.”
Celem technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla jest usuwanie dwutlenku węgla z atmosfery i bezpieczne przechowywanie go przez setki lub tysiące lat. Ale chociaż jest używany w USA od lat 70., obecnie wychwytuje i przechowuje zaledwie 0,1% globalnej emisji dwutlenku węgla rocznie. Aby pomóc w osiągnięciu celów w zakresie emisji dwutlenku węgla określonych przez IPCC, wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla musiałoby gwałtownie wzrosnąć do 2050 r.
Obecne zakłady przemysłowe na całym świecie polegają na wychwytywaniu dwutlenku węgla ze skoncentrowanego źródła, takiego jak emisje z elektrowni. Chociaż metody te mogą szybko i wydajnie wiązać duże ilości dwutlenku węgla przy użyciu dużych ilości niektórych spoiw chemicznych, są również niezwykle energochłonne.
Ta metoda jest również dość kosztowna na dużą skalę, aby wykorzystać dwutlenek węgla i przekształcić go w coś innego przydatnego, takiego jak węglany, składnik cementu lub formaldehyd lub metanol, które można wykorzystać jako paliwo, według Luca, elektora Instytut Energii Odnawialnej i Zrównoważonej (RASEI).
Zamiast tego zastosowanie metod elektrochemicznych, takich jak te wyszczególnione w nowym badaniu prowadzonym przez CU Boulder, uwolniłoby obiekty do wychwytywania dwutlenku węgla od skoncentrowanych źródeł, umożliwiając im istnienie niemal wszędzie.
Możliwość łatwego oszacowania siły wiązań chemicznych umożliwia również naukowcom sprawdzenie, które spoiwa będą najlepiej dopasowane – i oferują tańszą alternatywę dla tradycyjnych metod – do wychwytywania i przekształcania węgla w materiały lub paliwo według Haley Petersen, współ- główny autor na studiach i doktorant z chemii.
Tworzenie wiązań chemicznych
Nauka chemii opiera się na kilku podstawowych faktach: po pierwsze, cząsteczki są zbudowane z atomów, a po drugie, że krążą wokół nich elektrony. Kiedy atomy łączą się z innymi atomami, tworzą cząsteczki. A kiedy atomy dzielą elektrony z innymi atomami, tworzą tak zwane wiązanie kowalencyjne.
Wykorzystując energię elektryczną, naukowcy mogą aktywować te wiązania za pomocą elektrody w celu dostarczenia elektronu do cząsteczki. Kiedy robią to z cząsteczką imidazolium, tak jak to zrobili w tym badaniu, atom wodoru jest usuwany, tworząc lukę w atomie węgla, aby inna cząsteczka chciała się z nim związać – na przykład dwutlenek węgla.
Jednak dwutlenek węgla (CO2) jest rodzajem cząsteczki, która zazwyczaj nie lubi tworzyć nowych wiązań.
„Na ogół jest niereaktywny i aby na niego zareagować, trzeba go również zgiąć” – powiedział Luca. „Więc jesteśmy w przestrzeni chemicznej, która tak naprawdę nie była wcześniej badana pod kątem wychwytywania CO2”.
Metoda, którą naukowcy badają, sprawdza, jak dobrze cała rodzina karbenów (specyficzny typ cząsteczki, zawierający obojętny atom węgla), które mogą wytwarzać elektrochemicznie, jest w stanie wiązać CO2.
„Po prostu patrząc na bardzo proste molekuły — molekuły, które możemy wytworzyć, molekuły, które możemy modyfikować — możemy uzyskać mapę energetyki do elektrochemicznego wychwytywania węgla. To na razie mały skok, ale prawdopodobnie duży skok w dół linii — powiedział Luca.
Niniejszy materiał jest oparty na pracach wspieranych przez stypendium naukowe National Science Foundation Graduate Research Fellowship w ramach grantu nr DGE 2040434.