Вчені досягли ключового прогресу в уловлюванні вуглецю з повітря

Хімічний елемент, настільки візуально вражаючий, що його назвали на честь богині, демонструє рівень реакційної здатності «Золотовласка» — ні занадто великий, ні занадто низький — що робить його сильним кандидатом як засіб очищення вуглецю.

Елементом є ванадій, і дослідження вчених Університету штату Орегон продемонстрували здатність молекул перекису ванадію реагувати з вуглекислим газом і зв’язувати його, що є важливим кроком до вдосконалення технологій видалення вуглекислого газу з атмосфери.

Зусилля Федерального Союзу та розвиток прямого захоплення повітря

Дослідження є частиною федеральних зусиль, спрямованих на розробку нових методів прямого захоплення повітрям (DAC) вуглекислого газу, парникового газу, який утворюється при спалюванні викопного палива та пов’язаний зі зміною клімату.

Устаткування, які фільтрують вуглець з повітря, почали з’являтися по всьому світу, але вони все ще знаходяться в зародковому стані. Технології зменшення вуглекислого газу в місці надходження в атмосферу, наприклад, на електростанціях, є більш розвиненими. Обидва типи уловлювання вуглецю, ймовірно, знадобляться, якщо Земля хоче уникнути найгірших наслідків зміни клімату, кажуть вчені.

Роль штату Орегон і значення перехідних металів

У 2021 році Мей Найман зі штату Орегон, професор хімії Теренса Бредшоу в Науковому коледжі, була обрана керівником одного з дев’яти проектів прямого захоплення повітря, що фінансуються Міністерством енергетики. Її команда досліджує, як деякі комплекси перехідних металів можуть реагувати з повітрям, щоб видалити вуглекислий газ і перетворити його на карбонат металу, подібний до того, що міститься в багатьох природних мінералах.

Перехідні метали розташовані поблизу центру періодичної таблиці, і їх назва походить від переходу електронів із низькоенергетичних станів у високоенергетичні та назад, що призводить до характерних кольорів. Для цього дослідження вчені зупинилися на ванадію, названому на честь Ванадіс, давньоскандинавської назви скандинавської богині кохання, яка, як кажуть, була настільки красивою, що її сльози перетворювалися на золото.

Хімічний процес і проблеми прямого захоплення повітря

Найман пояснює, що вуглекислий газ існує в атмосфері з щільністю 400 частин на мільйон. Це означає, що на кожен 1 мільйон молекул повітря 400 з них є вуглекислим газом, або 0,04%.

«Проблема з прямим захопленням повітря полягає в тому, щоб знайти молекули або матеріали, які є достатньо селективними, інакше інші реакції з більшою кількістю молекул повітря, такі як реакції з водою, випереджають реакцію з CO₂», — сказав Найман. «Наша команда синтезувала серію молекул, які містять три частини, важливі для видалення вуглекислого газу з атмосфери, і вони працюють разом».

Однією частиною був ванадій, названий так через діапазон чудових кольорів, які він може демонструвати, а іншою частиною був пероксид, який зв’язувався з ванадієм. Оскільки молекула пероксиду ванадію негативно заряджена, їй потрібні лужні катіони для балансу заряду, сказав Найман, і дослідники використовували лужні катіони калію, рубідію та цезію для цього дослідження.

Вона додала, що співробітники також намагалися замінити ванадій іншими металами з того самого сусідства в періодичній таблиці.

«Вольфрам, ніобій і тантал не були такими ефективними в цій хімічній формі», — сказав Найман. «З іншого боку, молібден був настільки реактивним, що іноді вибухав».

Крім того, вчені замінили амоній і тетраметиламоній, перший з яких є помірно кислим, замість лугів. Ці сполуки взагалі не реагували, і дослідники все ще намагаються зрозуміти цю загадку.

Унікальні властивості пероксиду ванадію та внесок у дослідження

«І коли ми видалили перекис, знову виявилося не так багато реактивності», — сказав Найман. «У цьому сенсі перекис ванадію — це красива фіолетова Золотовласка, яка стає золотистою під дією повітря та зв’язує молекулу вуглекислого газу».

Вона зазначає, що ще одна цінна характеристика ванадію полягає в тому, що він забезпечує відносно низьку температуру виділення близько 200 градусів Цельсія для захопленого вуглекислого газу.

«Це порівняно з майже 700 градусами Цельсія, коли він зв’язаний з калієм, літієм або натрієм, іншими металами, які використовуються для захоплення вуглецю», – сказала вона. «Можливість повторного вивільнення вловленого CO₂ дозволяє повторно використовувати матеріали для уловлювання вуглецю, і чим нижча температура потрібна для цього, тим менше енергії потрібно та менша вартість. Є кілька дуже розумних ідей щодо повторного використання вловленого вуглецю, які вже реалізуються – наприклад, передача вловленого CO₂ в теплицю для вирощування рослин».

Інші автори статті зі штату Орегон включали Тіма Зуелсдорфа, доцента теоретичної/фізичної хімії, і доктора наук Едуарда Гаррідо.

«Я також дуже пишаюся важкою роботою аспірантів у моїй лабораторії, Чжівей Мао та Карлі Бах, а також студента Тейлора Лінсдея», — сказав Найман. «Це абсолютно нова область для моєї лабораторії, а також для Тіма Зюльсдорфа, який керував докторською дисертацією. студент Джейкоб Хірші про обчислювальні дослідження для пояснення механізмів реакції. Початок нової сфери навчання пов’язаний з багатьма невідомими».