Zorgen dat het blijft plakken: optimale core-shell MOF’s ontwerpen voor directe luchtopname

De MOF zou een kern-schaalontwerp hebben, wat betekent dat koolstofdioxide in de kern zou worden opgesloten, terwijl de schaal andere gassen, met name water, kan blokkeren. De schaal en de kern zouden zijn gemaakt van verschillende MOF-materialen, waarbij de schaal MOF is ontworpen om water te vertragen en de kern MOF is ontworpen om CO te binden₂. Krediet: de universiteit van Pittsburgh

Directe luchtopname kan de sleutel zijn om de aarde te redden van de effecten van klimaatverandering, maar er is een addertje onder het gras: het is echt moeilijk om te doen.

Direct Air Capture (DAC)-technologieën zijn ontworpen om koolstofdioxide uit de lucht te verwijderen, hoewel er nog veel ruimte is voor verbetering in DAC-materialen. Andere moleculen in de lucht, vooral water, zijn in veel hogere concentraties dan koolstofdioxide of CO₂. Ze beginnen met elkaar te concurreren en uiteindelijk wordt koolstofdioxide niet gevangen – althans niet in grote hoeveelheden.

“Als materialen goed zijn in het opnemen van koolstofdioxide, zijn ze meestal goed in het opnemen van meerdere gassen”, legt Katherine Hornbostel uit, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering. “Het is echt moeilijk om deze materialen af ​​​​te stemmen om koolstofdioxide te vangen, maar niets anders, en daar is dit onderzoek op gericht.”

Hornbostel wordt vergezeld door mede-onderzoekers Nathaniel Rosi, een Pitt-professor scheikunde met een secundaire aanstelling in de Swanson School en Christopher E. Wilmer, universitair hoofddocent chemische en petroleumtechnologie en William Kepler Whiteford Faculty Fellow in de Swanson School. Janice Steckel, een onderzoekswetenschapper bij het National Energy Technology Laboratory, en afgestudeerde studenten Paul Boone, Austin Lieber en Yiwen He zullen ook aan het project werken. Samen publiceerden ze een tijdschriftartikel over het creëren van nieuwe metaal-organische raamwerken, of MOF’s, ontworpen om alleen koolstofdioxide op te vangen.

MOF’s, een onderzoeksfocus in het laboratorium van Wilmer, staan ​​hoog aangeschreven vanwege hun vermogen om poreuze membranen te gebruiken om grote hoeveelheden gassen op te vangen en kunnen worden ontworpen via computermodellering in plaats van traditionele trial-and-error.

De MOF zou een kern-schaalontwerp hebben, wat betekent dat koolstofdioxide in de kern zou worden opgesloten, terwijl de schaal andere gassen, met name water, kan blokkeren. De schaal en de kern zouden zijn gemaakt van verschillende MOF-materialen, waarbij de schaal MOF is ontworpen om water te vertragen en de kern MOF is ontworpen om CO te binden₂.

“Als je met een lijm probeert te werken, kan het moeilijk zijn om iets te bedenken dat plakkerig is aan het ene materiaal dat niet ook plakkerig is aan het andere materiaal, en dat is waar tot op de moleculaire schaal,” zei Wilmer. . “Dus als we een materiaal maken dat erg plakkerig is voor koolstofdioxide, is het per ongeluk meestal ook plakkerig aan water. We proberen een manier te vinden om die plakkerige oppervlakken tegen water te beschermen.”

Momenteel gebruikt de groep computationele modellering om kandidaten te vinden voor de beste materialen voor zowel de kern als de schaal van de MOF.

Onderzoek naar directe luchtafvang is nog in de kinderschoenen, maar er zijn al meerdere mogelijke toepassingen voor deze technologieën. Volgens Hornbostel stellen sommigen in het veld enorme installaties voor in onbezette gebieden, terwijl anderen liever bestaande infrastructuur gebruiken waar stoom en elektriciteit al beschikbaar zijn. Maar hoe dan ook, om deze technologie te laten werken, moet er veel bewegende lucht zijn – die mogelijk overal kan zijn.

Onderzoekers hebben langetermijnplannen voor directe luchtvangst buiten het omkeren van de effecten van klimaatverandering. Deze technologie kan ook helpen bij het verkennen van de ruimte en bij het leven op andere planeten.

“Als we op andere planeten zijn, zoals Mars, is directe luchtopname de manier waarop we brandstof krijgen om terug te keren naar de aarde,” zei Wilmer. “Elke technologie die we ontwerpen, duwt de bal naar voren.”

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal.