Wydobywanie dwutlenku węgla z powietrza

Przechwytywanie żywego powietrza może być kluczem do uratowania Ziemi przed skutkami zmian klimatycznych, ale jest pewien haczyk: to naprawdę trudne do zrobienia.

Technologie bezpośredniego przechwytywania powietrza (DAC) mają na celu usuwanie dwutlenku węgla z powietrza, chociaż nadal istnieje wiele możliwości ulepszenia materiałów DAC. Inne cząsteczki w powietrzu, zwłaszcza woda, mają znacznie wyższe stężenia dwutlenku węgla, czyli CO₂. Zaczęli ze sobą konkurować, a ostatecznie nie wykryto dwutlenku węgla – przynajmniej w znacznych ilościach.

„Jeśli materiały są dobre w pochłanianiu dwutlenku węgla, zwykle są dobre w wydobywaniu wielu gazów” – wyjaśniła Kathryn Hornpostel, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa na University of Pittsburgh Swanson School of Engineering. „Naprawdę trudno jest dostroić te materiały do ​​przechwytywania CO2, ale nic więcej, i na tym skupiają się te badania”.

Do Hornpostela dołączyli współbadacze Nathaniel Rosie, profesor chemii w Bett z niewielkim nominacją w Swanson School oraz Christopher E. Wilmer, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i naftowej oraz William Kepler Whitford Fellow w Swanson College. Nad projektem będą również pracować Janice Steckle, naukowiec z National Energy Technology Laboratory oraz doktoranci Paul Boone, Austin Lieber i Yuen Ho. Wspólnie opublikowali artykuł Królewskiego Towarzystwa Chemicznego na temat tworzenia nowych struktur metaloorganicznych (MOF), zaprojektowanych do wychwytywania wyłącznie dwutlenku węgla.

MOF, które skupiają się na badaniach w laboratorium Wilmera, są bardzo cenione ze względu na ich zdolność do wykorzystywania porowatych membran do wychwytywania dużych objętości gazów i mogą być modelowane za pomocą modelowania komputerowego, a nie tradycyjnej metody prób i błędów.

Metalowa konstrukcja będzie miała centralną konstrukcję skorupy, co oznacza, że ​​dwutlenek węgla będzie uwięziony w rdzeniu, podczas gdy powłoka będzie w stanie zatrzymywać inne gazy, w szczególności wodę. Powłoka i rdzeń będą wykonane z różnych materiałów OMF, z organiczną strukturą powłoki zaprojektowaną do spowalniania wody i podstawową strukturą organiczną do wiązania dwutlenku węgla.

„Jeśli próbujesz pracować z klejem, może być trudno wymyślić coś, co przykleja się do jednego materiału, a jednocześnie nie przykleja się do drugiego, i jest to absolutnie prawdziwe aż do skali molekularnej” – powiedział Wilmer. . Tak więc, gdy nieumyślnie wytwarzamy wysoce lepką substancję z dwutlenkiem węgla, zwykle klei się ona również z wodą. Staramy się znaleźć sposób na ochronę tych lepkich powierzchni przed wodą”.

Obecnie grupa wykorzystuje modelowanie obliczeniowe w celu wyeliminowania kandydatów do uzyskania najlepszych materiałów zarówno dla struktury MOF, jak i powłoki.

Badania nad bezpośrednim wychwytywaniem powietrza są wciąż na wczesnym etapie rozwoju, ale istnieje już wiele potencjalnych zastosowań tych technologii. Według Hornbostel niektórzy w terenie proponują ogromne obiekty na niezamieszkanych obszarach, podczas gdy inni wolą korzystać z istniejącej infrastruktury, w której dostępna jest już para i energia elektryczna. Ale tak czy inaczej, aby ta technika zadziałała, musi być dużo poruszającego się powietrza – które może być wszędzie.

Naukowcy mają długoterminowe plany wychwytywania powietrza bezpośrednio na zewnątrz w celu odwrócenia skutków zmiany klimatu. Ta technologia może również pomóc w eksploracji kosmosu, a także w życiu na innych planetach.

„Kiedy jesteśmy na innych planetach, takich jak Mars, bezpośrednie przechwytywanie powietrza jest sposobem, w jaki sprowadzamy paliwo z powrotem na Ziemię” – powiedział Wilmer. „Każda technologia, którą projektujemy, napędza piłkę do przodu”.

Tytuł artykułu „Projektowanie optymalnych MOF typu core-shell do bezpośredniego przechwytywania powietrza” (DOI: 10.1039 / D2NR03177A) została opublikowana w czasopiśmie Nanoscale.