Genom att använda en billig polymer som heter melamin – huvudkomponenten i Formica – har kemister skapat ett billigt, enkelt och energieffektivt sätt att fånga upp koldioxid från skorstenar, ett nyckelmål för USA och andra nationer när de försöker minska utsläppen av växthusgaser .

Processen för att syntetisera melaminmaterialet, publicerad denna vecka i tidskriften Science Advances , skulle potentiellt kunna skalas ner för att fånga upp utsläpp från fordonsavgaser eller andra rörliga koldioxidkällor. Koldioxid från förbränning av fossila bränslen utgör cirka 75 % av alla växthusgaser som produceras i USA.

Det nya materialet är enkelt att tillverka och kräver i första hand fabrikat melaminpulver – som idag kostar cirka 40 USD per ton – tillsammans med formaldehyd och cyanursyra, en kemikalie som bland annat tillsätts med klor i simbassänger.

"Vi ville fundera på ett kolinfångningsmaterial som härrörde från källor som var riktigt billiga och lätta att få tag på. Så vi bestämde oss för att börja med melamin", säger Jeffrey Reimer, professor vid forskarskolan vid Institutionen för kemiska och kemiska ämnen. Biomolecular Engineering vid University of California, Berkeley, och en av motsvarande författare till artikeln.

Det så kallade melaminporösa nätverket fångar upp koldioxid med en effektivitet som är jämförbar med tidiga resultat för ett annat relativt nytt material för kolavskiljning, metallorganiska ramverk eller MOF. Kemister från UC Berkeley skapade den första sådan kolavskiljande MOF 2015, och efterföljande versioner har visat sig ännu effektivare för att ta bort koldioxid från rökgaser, till exempel från ett koleldat kraftverk.

Men Haiyan Mao, en postdoktor vid UC Berkeley som är första författare till uppsatsen, sa att melaminbaserade material använder mycket billigare ingredienser, är lättare att göra och är mer energieffektiva än de flesta MOF. Den låga kostnaden för porös melamin gör att materialet kan användas brett.

"I den här studien fokuserade vi på billigare materialdesign för fångst och lagring och att belysa interaktionsmekanismen mellan CO₂ och materialet," sa Mao. "Detta arbete skapar en generell industrialiseringsmetod mot hållbar CO₂ fånga med hjälp av porösa nätverk. Vi hoppas att vi kan designa ett framtida tillbehör för att fånga upp bilavgaser, eller kanske ett fäste till en byggnad eller till och med en beläggning på möblers yta."

Arbetet är ett samarbete mellan en grupp vid UC Berkeley ledd av Reimer; en grupp vid Stanford University ledd av Yi Cui, som är chef för Precourt Institute for Energy, Somorjai Visiting Miller Professor vid UC Berkeley, och en före detta postdoktor vid UC Berkeley; UC Berkeley professor vid forskarskolan Alexander Pines; och en grupp vid Texas A&M University ledd av Hong-Cai Zhou. Jing Tang, postdoktor vid Stanford och Stanford Linear Accelerator Center och gästforskare vid UC Berkeley, är förstaförfattare med Mao.

Koldioxidneutralitet till 2050

Samtidigt som att eliminera förbränning av fossila bränslen är avgörande för att stoppa klimatförändringarna, är en viktig övergångsstrategi att fånga upp utsläppen av koldioxid – den huvudsakliga växthusgasen – och lagra gasen under jord eller vända CO₂ till användbara produkter. Det amerikanska energidepartementet har redan tillkännagivit projekt på totalt 3,18 miljarder USD för att stärka avancerad och kommersiellt skalbar teknik för kolavskiljning, -användning och -bindning (CCUS) för att nå en ambitiös rökgas CO₂ mål för fångsteffektivitet på 90 %. Det slutliga USA-målet är nettonoll koldioxidutsläpp till 2050.

Men kolavskiljning är långt ifrån kommersiellt gångbar. Den bästa tekniken idag är att leda rökgaser genom flytande aminer, som binder CO₂ . Men detta kräver stora mängder energi för att frigöra koldioxiden när den väl är bunden till aminerna, så att den kan koncentreras och lagras under jord. Aminblandningen måste värmas till mellan 120 och 150 grader Celsius (250-300 grader Fahrenheit) för att regenerera CO₂ .

Däremot fångar det porösa melaminnätverket med DETA och cyanursyramodifiering CO₂ vid cirka 40 grader Celsius, något över rumstemperatur, och släpper ut den vid 80 grader Celsius, under vattnets kokpunkt. Energibesparingen kommer från att inte behöva värma ämnet till höga temperaturer.

I sin forskning fokuserade Berkeley/Stanford/Texas-teamet på den vanliga polymeren melamin, som används inte bara i Formica utan även billiga serviser och redskap, industriella beläggningar och andra plaster. Att behandla melaminpulver med formaldehyd – vilket forskarna gjorde i kilogram kvantiteter – skapar nanoskaliga porer i melaminet som forskarna trodde skulle absorbera CO₂ .

Mao sa att tester bekräftade att formaldehydbehandlad melamin adsorberade CO₂ något, men adsorptionen skulle kunna förbättras mycket genom att tillsätta en annan amininnehållande kemikalie, DETA (dietylentriamin), för att binda CO₂ . Hon och hennes kollegor fann därefter att tillsats av cyanursyra under polymerisationsreaktionen ökade porstorleken dramatiskt och radikalt förbättrade CO₂ avskiljningseffektivitet:Nästan all koldioxid i en simulerad rökgasblandning absorberades inom cirka 3 minuter.

Tillsatsen av cyanursyra gjorde det också möjligt att använda materialet om och om igen.

Mao och hennes kollegor genomförde solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) studier för att förstå hur cyanursyra och DETA samverkade för att göra kolavskiljning så effektiv. Studierna visade att cyanursyra bildar starka vätebindningar med melaminnätverket som hjälper till att stabilisera DETA och förhindrar det från att läcka ut ur melaminporerna under upprepade cykler av kolavskiljning och regenerering.

"Vad Haiyan och hennes kollegor kunde visa med dessa eleganta tekniker är exakt hur dessa grupper blandas, exakt hur CO₂ reagerar med dem, och att hon i närvaro av denna poröppnande cyanursyra kan cykla CO₂ på och av många gånger med kapacitet som egentligen är ganska bra," sa Reimer. "Och den hastighet med vilken CO₂ adsorber är faktiskt ganska snabb, i förhållande till vissa andra material. Så, alla praktiska aspekter i laboratorieskala av detta material för CO₂ fångst har uppfyllts, och det är bara otroligt billigt och enkelt att göra."

"Med hjälp av kärnmagnetisk resonansteknik i fast tillstånd har vi systematiskt belyst i oöverträffad detalj på atomnivå mekanismen för reaktionen mellan de amorfa nätverken med CO₂ ," sade Mao. "För energi- och miljögemenskapen skapar detta arbete en högpresterande, solid state-nätverksfamilj tillsammans med en grundlig förståelse av mekanismerna, men uppmuntrar också utvecklingen av forskning om porösa material från trial-and-error metoder för rationell, steg-för-steg, atomär nivåmodulering."

Reimer- och Cui-grupperna fortsätter att justera porstorleken och amingrupperna för att förbättra kolavskiljningseffektiviteten i melaminporösa nätverk, samtidigt som energieffektiviteten bibehålls. Detta innebär att man använder en teknik som kallas dynamisk kombinatorisk kemi för att variera andelen ingredienser för att uppnå effektiv, skalbar, återvinningsbar och högkapacitets CO₂ fånga.

Reimer och Mao har också samarbetat nära med Cui-gruppen i Stanford för att syntetisera andra typer av material, inklusive hierarkiska nanoporösa membran - en klass av nanokompositer kombinerat med en kolsfär och grafenoxid - och hierarkiska nanoporösa kol gjorda av tall, för att adsorbera kol dioxid. Reimer utvecklade solid-state NMR specifikt för att karakterisera mekanismen genom vilken fasta material interagerar med koldioxid, för att designa bättre material för kolavskiljning från miljön och energilagring. Cui utvecklade en robust och hållbar solid state-plattform och tillverkningstekniker för att skapa nya material för att hantera klimatförändringar och energilagring. + Utforska vidare

Kolavskiljning tar svampliknande form med ny kostnadseffektiv metod