Дослідження команди показує, що сапонітова глина ефективно поглинає CO₂ за низької вологості, що підтверджено передовим спектроскопічним аналізом. Група вчених з Університету Пердью та Національних лабораторій Сандії здійснила несподіваний прорив у кліматичних технологіях, використовуючи один з найпоширеніших матеріалів на Землі — глину.
Їхнє дослідження показало, що певні глинисті мінерали, зокрема сапоніт, можуть ефективно поглинати вуглекислий газ (CO₂) безпосередньо з повітря. Ця робота може прокласти шлях до недорогого та масштабного видалення CO₂ і принесла команді престижну нагороду R&D 100 Award 2024. У дослідженні окреслюється, як ці поширені в природі наноматеріали можуть стати потужними союзниками в боротьбі зі зміною клімату. Команда також працює над отриманням патенту на цей перспективний метод.
«Глинисті мінерали мають надзвичайно велику площу поверхні», — сказав Кліфф Джонстон, професор агрономії та наук про Землю в Університеті Пердью. «Одна столова ложка глини має приблизно таку ж площу поверхні, як поле для американського футболу. Більша частина цієї площі поверхні знаходиться у внутрішніх порах глини».
Ці внутрішні пори є ключем до розгадки. Джонстон пояснив, що молекули, такі як CO₂, притягуються до неполярних областей глини, тоді як водяна пара, як правило, займає полярні області. Вибираючи певні типи глини та модифікуючи їх іонну структуру, дослідники виявили, що вони можуть покращити, наскільки добре ці матеріали поглинають CO₂ з атмосфери.
Від забруднювачів води до кліматичних рішень
Джонстон та його колеги, включаючи студента Райлі Велша та дослідників з Національних лабораторій Сандії, десятиліттями досліджували взаємодію глини з хімічними речовинами. Їхні попередні дослідження були зосереджені на тому, як смектити – група глин, відомих великою площею поверхні – поглинають токсичні органічні забруднювачі з води.
«Наша попередня робота була зосереджена на поглинанні токсичних органічних забруднювачів глинистими мінералами з водного розчину, і ми виявили, що деякі типи смектитів мають гідрофобні поверхні та можуть сорбувати значні рівні гідрофобних забруднювачів, таких як 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-діоксин, одна з найтоксичніших відомих органічних сполук», – заявив Джонстон.
Ці попередні висновки заклали основу для переходу команди до застосування в галузі клімату. Смектити не лише ефективно утримують шкідливі сполуки, але і є одними з найпоширеніших природних наноматеріалів на Землі. Це робить їх ідеальними кандидатами для широкомасштабних екологічних рішень. Хоча багато систем прямого захоплення повітря сьогодні використовують передові, дорогі матеріали, такі як металоорганічні каркаси або сорбенти на основі амінів, як це було зроблено на об’єкті Climeworks Orca в Ісландії, команда Джонстона зосереджується на чомусь набагато простішому та потенційно дешевшому.
Сапонітова глина найкраще працює в умовах сухого повітря
Замість використання тепла чи тиску, на яких базуються багато систем уловлювання вуглецю, дослідники використовували вологість як контрольний фактор у своїх випробуваннях. Вони виявили, що сапоніт надзвичайно добре захоплює CO₂ у середовищах з низькою вологістю. Цей висновок був підтверджений за допомогою спектроскопічних та гравіметричних методів.
Це перше відоме дослідження, яке розповідає про те, як глинистий мінерал може одночасно поглинати вуглекислий газ і водяну пару за навколишніх концентрацій CO₂. Воно пропонує нове розуміння того, як ці недооцінені мінерали можуть забезпечити масштабовані рішення для видалення вуглецю.
Джонстон написав майже 200 наукових робіт, багато з яких досліджують взаємодію ґрунтових мінералів із забруднювачами навколишнього середовища та газами. Він вважає, що це відкриття відкриває шлях до нових типів технологій уловлювання вуглецю — чи то для скорочення промислових викидів, чи то для зберігання CO₂ під землею для довгострокового поглинання.