Att hitta sätt att fånga, lagra och använda koldioxid (CO2 ) är fortfarande ett akut globalt problem. När temperaturen fortsätter att stiga, håller CO2 från att komma in i atmosfären kan bidra till att begränsa uppvärmningen där kolbaserade bränslen fortfarande behövs.
Betydande framsteg har gjorts när det gäller att skapa prisvärda, praktiska tekniker för koldioxidavskiljning. Kolfångande vätskor, kallade lösningsmedel när de finns i överflöd, kan effektivt ta upp CO2 molekyler från koleldade kraftverk, pappersbruk och andra utsläppskällor. Men dessa arbetar alla genom samma grundläggande kemi, eller så har forskare antagit.
I nytt arbete publicerat i Nature Chemistry , blev forskare förvånade över att finna att ett välbekant lösningsmedel är ännu mer lovande än vad som ursprungligen förväntades. Nya detaljer om lösningsmedlets underliggande struktur tyder på att vätskan kan hålla dubbelt så mycket CO2 som tidigare trott. Den nyligen avslöjade strukturen kan också innehålla nyckeln till att skapa en svit av kolbaserade material som kan hjälpa till att hålla ännu mer CO2 ur atmosfären.
Teamet från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklade lösningsmedlet för flera år sedan och har studerat det i en mängd olika scenarier. Teamet har arbetat med att sänka kostnaderna för att använda lösningsmedlet och öka dess effektivitet. Förra året avslöjade de det minst kostsamma kolavskiljningssystemet hittills. Det var under denna forskning som teamet märkte något konstigt.
"Vi försökte göra en annan typ av högtrycksgasseparation", säger David Heldebrant, en PNNL-kemist och medförfattare. "Vi såg att lösningen blev betydligt tjockare och en ny topp dök upp i våra spektra, vilket tydde på att något nytt hade bildats. Det var helt oväntat och vi visste att vi måste gå till botten med det."
Heldebrant kontaktade sina medarbetare vid University Claude Bernard Lyon 1 och University of Texas i El Paso för att hjälpa till att reda ut de molekylära förändringarna bakom resultaten.
"Detta arbete är ett verkligt tvärvetenskapligt och samarbetande arbete", säger Jose Leobardo Bañuelos, professor vid University of Texas i El Paso. "Frågorna vi behövde ställa krävde mer än bara en typ av expertis. Vi tittade på lösningsmedlets övergripande struktur när det exponerades för CO2 och såg betydligt mer ordning än vi förväntade oss."
Molekylerna, det verkade, klungade ihop sig när de borde paras ihop. Men vad betydde de nya, välordnade strukturerna?
När laget tog en ny titt på lösningsmedlet-CO2 Med hjälp av analytiska kemiverktyg upptäckte de självmonterade kluster av lösningsmedelsmolekyler. Först försökte forskarna att anpassa data till en modell med endast två molekyler lösningsmedel. Trots deras startförväntningar passade inte uppgifterna.
När forskarna använde en modell med fyra lösningsmedelsmolekyler föll resultaten på plats. Ett fyrakomponentkluster var faktiskt formen av lösningsmedlet som teamet hade sett. Den flexibla strukturen kan genomgå en rad förändringar för att ta emot inkommande CO2 molekyler. CO2 når så småningom kärnan av klustret, hem till en aktiv platsficka som kan likna de som finns inuti enzymer. Faktum är att den övergripande klusterstrukturen och interaktionerna tycks likna proteiner.
Den aktiva platsbindningsfickan är i centrum av den nyligen observerade kemin. Vanligtvis fungerar kolavskiljningssystem med en enda CO2 molekyl som binder och kan reagera för att bilda något annat. Att ha allt begränsat till reaktioner som involverar en CO2 begränsar nästa steg i kolomvandlingen. Klustret möjliggör något annat.
Den oväntade topp som laget ursprungligen fann motsvarar bildandet av en ny art som inkluderar två olika molekyler av CO2 . Klustren innehåller CO2 stegvis, först fånga och aktivera en molekyl följt av den andra. Uppgifterna visar en samverkande effekt - med en molekyl CO2 bunden ändrar hur den andra molekylen binder.
"Vi är verkligen glada över de nya designmöjligheterna för lösningsmedel som detta öppnar upp", säger Heldebrant. "Om vi kan hitta sätt att avsiktligt bygga in kooperativitet som förbättrar CO2 bindande, kan vi ändra hur kolavskiljningssystem fungerar."
När båda CO2 molekyler finns inuti klustret kan de reagera med varandra och skapa olika kolbaserade molekyler som kan utöka potentiell användning av infångad CO2 .
"Vad vi gör här är att förändra en stor variabel i processen," sa Heldebrant. "Vi har historiskt fångat varje CO2 på egen hand. Bindande två CO2 tillsammans skulle kunna hjälpa oss att effektivt fördubbla lagringskapaciteten för våra fångstsystem."
De nykopplade molekylerna har mycket andra egenskaper än CO2 . Detta ändrar kemin som krävs för att separera det fångade kolet från lösningsmedlet. Dessa CO2 -baserade molekyler är större och representerar ett första steg mot att skapa CO2 -rika polymerer.
Ett ihållande problem med fångat kol är vad man ska göra med det. Medan långtidslagring av CO2 är ett alternativ, det ger logistiska utmaningar och kan lägga till kostnader till en redan dyr fångstprocess. Hitta sätt att omvandla fångad CO2 till ekonomiskt värdefulla produkter kan hjälpa till att kompensera avskiljningskostnader och ge ett steg mot en sluten kolcykel.
Genom att sammanfoga två CO2 molekyler tillsammans under det inledande fångststeget, presenterar detta arbete ett nytt sätt att närma sig kolomvandling och användning. Istället för att börja med CO2 , kan forskare ha olika alternativ för att skapa nya kemikalier. Detta öppnar dörrar till olika typer av kemi som tidigare ansågs orealistisk för CO2 omvandling. Dessa potentiella nästa steg är endast möjliga genom att fokusera på den grundläggande vetenskapen bakom kolavskiljning.
"Det är så mycket brådskande att distribuera kolavskiljningssystem", säger Julien Leclaire, professor vid universitetet Claude Bernard Lyon 1 och medförfattare till tidningen. "Vi utforskar inte alltid detaljerna i molekylär skala i dessa processer på grund av deras komplexitet. Men ibland kan vi hitta insikter som kopplar samman molekylärt och storskaligt beteende."
Förutom Heldebrant inkluderar PNNL-forskare Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo och Jaelynne King. Förutom Leclaire, inkluderar University Claude Bernard Lyon 1 forskare Jean Septavaux och Marc Hennenbelle.
Mer information: Julien Leclaire et al, Tetramerisk självmontering av vattenmagra lösningsmedel möjliggör karbamatanhydridbaserad CO2-avskiljningskemi, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01495-z
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
