Дослідники з Наукового коледжу Університету штату Орегон продемонстрували потенціал недорогого наноматеріалу для очищення вуглекислого газу з промислових викидів. Висновки, опубліковані в Cell Reports Physical Science, важливі, оскільки вдосконалені методи уловлювання вуглецю є ключем до розв’язання проблеми зміни клімату, сказав Кіріакос Стіліану з OSU, який керував дослідженням. Вуглекислий газ, парниковий газ, утворюється в результаті спалювання викопного палива і є однією з основних причин потепління клімату.
Заводи, які фільтрують вуглець з повітря, починають з’являтися по всьому світу — найбільший у світі був відкритий у 2021 році в Ісландії, — але вони не готові серйозно вплинути на світову проблему викидів, зазначає Стіліану. За рік завод в Ісландії може виробляти кількість вуглекислого газу, еквівалентну річним викидам приблизно 800 автомобілів.
Проте технології зменшення викидів вуглекислого газу в місці надходження в атмосферу, наприклад на заводі, порівняно добре розроблені. Одна з цих технологій включає наноматеріали, відомі як металеві органічні каркаси, або MOF, які можуть перехоплювати молекули вуглекислого газу шляхом адсорбції, коли димові гази проходять через димові труби.
«Уловлювання вуглекислого газу має вирішальне значення для досягнення цілей щодо нульових викидів», — сказав Стіліану, доцент кафедри хімії. «MOF показали багато перспектив для уловлювання вуглецю через їх пористість і структурну універсальність, але їх синтез часто означає використання реагентів, які є дорогими з економічної та екологічної точки зору, таких як солі важких металів і токсичні розчинники».
Крім того, робота з водною частиною газів димової труби значно ускладнює видалення вуглекислого газу, сказав він. Багато MOF, які продемонстрували потенціал уловлювання вуглецю, втратили свою ефективність у вологих умовах. Димові гази можна висушити, сказав Стіліану, але це додає значних витратпроцес видалення вуглекислого газу, достатньо, щоб зробити його нежиттєздатним для промислового застосування.
«Тому ми намагалися розробити MOF, щоб усунути різноманітні обмеження матеріалів, які зараз використовуються для уловлювання вуглецю: високу вартість, низьку селективність щодо вуглекислого газу, низьку стабільність у вологих умовах і низьку здатність поглинати CO2», — сказав він.
MOF — це кристалічні пористі матеріали, що складаються з позитивно заряджених іонів металів, оточених органічними молекулами-зв’язувачами, відомими як ліганди. Іони металу створюють вузли, які зв’язують плечі лінкерів, утворюючи повторювану структуру, схожу на клітку; структура має нанорозмірні пори, які адсорбують гази, подібно до губки.
MOF можуть бути розроблені з різними компонентами, які визначають властивості MOF, і існують мільйони можливих MOF, сказав Стіліану. Майже 100 000 з них були синтезовані дослідниками-хіміками, а властивості ще півмільйона були передбачені.
«У цьому дослідженні ми представляємо MOF, що складається з алюмінію та легкодоступного ліганду, бензол-1,2,4,5-тетракарбонової кислоти», — сказав Стіліану. «Синтез MOF відбувається у воді та займає лише пару годин. І MOF має пори, розмір яких можна порівняти з розміром молекул CO2, тобто існує обмежений простір для утримання вуглекислого газу».
MOF добре працює у вологих умовах і також віддає перевагу вуглекислому газу, ніж азоту, що важливо, оскільки оксиди азоту є інгредієнтом димових газів. Без такої вибірковості MOF потенційно зв’язувався б з неправильними молекулами.
«Цей MOF є видатним кандидатом для мокрого уловлювання вуглецю після спалювання », — сказав Стіліану. «Це економічно вигідно з винятковою ефективністю розділення, його можна регенерувати та повторно використовувати принаймні три рази з порівнянною здатністю поглинання».