Op klei gebaseerde nanomaterialen bieden een oplossing om koolstofdioxide te vangen en klimaatverandering te bestrijden

Een van de meest voorkomende nanomaterialen van de aarde is het vergemakkelijken van doorbraken bij het aanpakken van klimaatverandering: klei. In een nieuwe studie hebben onderzoekers van Purdue University, in samenwerking met experts van Sandia National Laboratories, mogelijk een game-veranderende methode voor het gebruik van klei ontdekt om koolstofdioxide te vangen (CO₂) rechtstreeks vanuit de lucht om de klimaatverandering te verminderen.

Hun werk, dat hen een 2024 R&D 100 Award opleverde en een patentaanvraag in uitvoering heeft, was onlangs gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C.

Cliff Johnston, hoogleraar agronomie aan het College of Agriculture and Earth, Atmospheric and Planetary Sciences in het College of Science aan Purdue University, leidde de studie, samen met niet-gegradueerde student Riley Welsh en onderzoekswetenschappers bij Sandia National Laboratories, die co-auteur zijn van de recente studie.

Dit onderzoek kan de portfolio van absorberende materialen uitbreiden voor het aanpakken van een van de meest uitdagende problemen van de planeet. Kleien kunnen een goedkope, toegankelijke en overvloedige bron zijn voor het absorberen van koolstofdioxide uit de lucht en een krachtig hulpmiddel bij het aanpakken van klimaatverandering.

Johnston, zijn onderzoeksteam van Purdue University en het Sandia National Laboratories -team graven in wat Clay Minerals al meer dan 30 jaar drijft.

“Clay -mineralen hebben een uitzonderlijk hoog oppervlak,” zei Johnston. “Eén eetlepel klei heeft ongeveer hetzelfde oppervlak als een Amerikaans voetbalveld. Het grootste deel van dit oppervlak is te vinden in de interne poriën van de klei. Gedurende tientallen jaren van onderzoek hebben we ontdekt dat deze interne poriën polaire en niet -polaire regio’s hebben. Moleculen voor de voorkeur geven aan de niet -polar -regio’s, wat voor het selecteren van hun ionen. voor materialen die Co₂ kunnen gebruiken. “

Het team bestudeert een groep kleien die smectieten worden genoemd, die grote interne oppervlakken hebben en zijn enkele van de meest voorkomende natuurlijk voorkomende nanomaterialen op de planeet. Zowel hun overvloed als hun grootte maken smectieten veelbelovende kandidaten voor grootschalige milieuoplossingen.

Het team van Johnston heeft een lange geschiedenis van het onderzoeken van hoe smectieten giftige organische verontreinigende stoffen van water absorberen.

“Ons eerdere werk was gericht op de absorptie van giftige organische verontreinigende stoffen op kleimineralen uit waterige oplossing, en we hebben vastgesteld dat bepaalde soorten smectieten hydrofobe oppervlakken hebben en significante niveaus van hydrofobe verontreinigingen kunnen surberen, zoals 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxine, een van de meest toxische organische combinatie,” zei Johnston. De belangrijkste bronnen van dioxines zijn onbedoelde bijproducten van verbranding en industriële productie en zijn veel voorkomende verontreinigingen die worden gevonden op superfund -locaties.

Na een sterke basis te hebben gelegd, stelt het team voor dat oplossingen voor de dringende wereldwijde uitdaging van het vastleggen van koolstofdioxide bevorderen met behulp van veel beschikbare, betaalbare geosorbentia.

In de afgelopen jaren hebben onderzoekers wereldwijd de interacties tussen klei-koolstofdioxide onder extreme omstandigheden onderzocht, zoals hoge temperaturen en druk, of door directe luchtafvang met behulp van geavanceerde materialen zoals zeolieten, mesoporeus silica, metaal-organische frameworks en metaal-oxide gebaseerde adsorbents. De ORCA-faciliteit van klimwerken in IJsland maakt bijvoorbeeld gebruik van unieke solid-gebaseerde sorptiemiddelen om koolstofdioxide uit de lucht te vangen. Clay -mineralen zijn echter grotendeels over het hoofd gezien als veelbelovende sorptiemiddelen tot nu toe.

De onderzoekers concentreerden zich op een specifieke smectiet genaamd Saponite. Ze onderzochten hoe saponiet met koolstofdioxide en waterdamp omgaat om te concurreren om ruimte in de kleine interne poriën van de klei. In tegenstelling tot eerdere studies die de hitte hebben opgezet om kleien te laten absorberen van koolstofdioxide, gebruikten de onderzoekers in plaats daarvan vochtigheid. Ze ontdekten dat saponiet een hoge affiniteit vertoont voor koolstofdioxide bij lage luchtvochtigheid, een bevinding die ze bevestigden door geavanceerde spectroscopische en gravimetrische analyse.

Deze studie is de eerste die rapporteert over de gelijktijdige absorptie van koolstofdioxide en water door een klei -mineraal bij omgevingsconcentraties van koolstofdioxide, wat waardevolle inzichten biedt in hoe deze overvloedige middelen kunnen worden benut voor een betere koolstofafvang.