Wetenschappers vinden een betere manier om koolstof uit industriële emissies op te vangen

Onderzoekers van het Oregon State University College of Science hebben het potentieel aangetoond van een goedkoop nanomateriaal om koolstofdioxide uit industriële emissies te verwijderen.

De bevindingen, gepubliceerd in Cel meldt natuurkundezijn belangrijk omdat verbeterde koolstofafvangmethoden een sleutel zijn tot het aanpakken van klimaatverandering, zei OSU’s Kyriakos Stylianou, die de studie leidde.

Koolstofdioxide, een broeikasgas, is het resultaat van de verbranding van fossiele brandstoffen en is een van de belangrijkste oorzaken van een opwarmend klimaat.

Er beginnen overal ter wereld faciliteiten te ontstaan ​​die koolstof uit de lucht filteren – de grootste ter wereld werd in 2021 geopend in IJsland – maar ze zijn nog niet klaar om een ​​grote deuk te slaan in het wereldwijde emissieprobleem, merkt Stylianou op. In een jaar tijd kan de fabriek in IJsland een hoeveelheid kooldioxide uitstoten die overeenkomt met de jaarlijkse uitstoot van ongeveer 800 auto’s.

Technologieën voor het verminderen van koolstofdioxide op het punt van binnenkomst in de atmosfeer, zoals een fabriek, zijn echter relatief goed ontwikkeld. Een van die technologieën omvat nanomaterialen die bekend staan ​​als metalen organische raamwerken, of MOF’s, die koolstofdioxidemoleculen kunnen onderscheppen door middel van adsorptie terwijl rookgassen zich een weg banen door schoorstenen.

“Het afvangen van kooldioxide is van cruciaal belang om de doelstellingen voor netto-nulemissie te halen”, zegt Stylianou, een assistent-professor scheikunde. “MOF’s hebben veel belofte getoond voor koolstofafvang vanwege hun porositeit en hun structurele veelzijdigheid, maar het synthetiseren ervan betekent vaak het gebruik van reagentia die zowel economisch als ecologisch duur zijn, zoals zware metaalzouten en giftige oplosmiddelen.”

Bovendien bemoeilijkt het omgaan met het watergedeelte van rookgassen het verwijderen van kooldioxide aanzienlijk, zei hij. Veel MOF’s die koolstofafvangpotentieel hebben getoond, verloren hun effectiviteit in vochtige omstandigheden. Rookgassen kunnen worden gedroogd, zei Stylianou, maar dat brengt aanzienlijke kosten met zich meekooldioxide-verwijderingsproces, genoeg om het niet levensvatbaar te maken voor industriële toepassingen.

“Dus probeerden we een MOF te bedenken om de verschillende beperkingen aan te pakken van de materialen die momenteel worden gebruikt bij het afvangen van koolstof: hoge kosten, slechte selectiviteit voor koolstofdioxide, lage stabiliteit in vochtige omstandigheden en lage CO₂ opnamecapaciteiten’, zei hij.

MOF’s zijn kristallijne, poreuze materialen die bestaan ​​uit positief geladen metaalionen omgeven door organische “linker”-moleculen die bekend staan ​​als liganden. De metaalionen maken knooppunten die de armen van de linkers binden om een ​​zich herhalende structuur te vormen die er ongeveer uitziet als een kooi; de structuur heeft poriën van nanogrootte die gassen adsorberen, vergelijkbaar met een spons.

MOF’s kunnen worden ontworpen met een verscheidenheid aan componenten, die de eigenschappen van de MOF bepalen, en er zijn miljoenen mogelijke MOF’s, zei Stylianou. Bijna 100.000 daarvan zijn gesynthetiseerd door scheikundige onderzoekers en van nog eens een half miljoen zijn de eigenschappen voorspeld.

“In deze studie introduceren we een MOF bestaande uit aluminium en een gemakkelijk verkrijgbaar ligand, benzeen-1,2,4,5-tetracarbonzuur, ” zei Stylianou. “De synthese van de MOF gebeurt in water en duurt maar een paar uur. En de MOF heeft poriën met een grootte die vergelijkbaar is met die van CO₂ moleculen, wat betekent dat er een besloten ruimte is om de kooldioxide op te sluiten.”

De MOF werkt goed in vochtige omstandigheden en geeft ook de voorkeur aan koolstofdioxide boven stikstof, wat belangrijk is omdat stikstofoxiden een ingrediënt zijn in rookgassen. Zonder die selectiviteit zou de MOF mogelijk aan de verkeerde moleculen binden.

“Deze MOF is een uitstekende kandidaat voor koolstofafvangtoepassingen na verbranding na verbranding,” zei Stylianou. “Het is kostenbesparend met uitzonderlijke scheidingsprestaties en kan minstens drie keer worden geregenereerd en hergebruikt met vergelijkbare opnamecapaciteiten.”

Wetenschappers van Columbia University, het Pacific Northwest National Laboratory en Chemspeed Technologies AG uit Zwitserland namen ook deel aan dit onderzoek, net als de chemici van de staat Oregon Ryan Loughran, Tara Hurley en Andrzej Gładysiak.