Ett kemiskt element som är så visuellt slående att det har fått sitt namn efter en gudinna visar en "Goldilocks"-nivå av reaktivitet – varken för mycket eller för lite – vilket gör det till en stark kandidat som kolskurningsverktyg.
Grundämnet är vanadin och forskning av forskare från Oregon State University, publicerad i Chemical Science , har visat förmågan hos vanadinperoxidmolekyler att reagera med och binda koldioxid – ett viktigt steg mot förbättrad teknik för att avlägsna koldioxid från atmosfären.
Studien är en del av en federal satsning på 24 miljoner dollar för att utveckla nya metoder för direkt luftinfångning, eller DAC, av koldioxid, en växthusgas som produceras genom förbränning av fossila bränslen och som är förknippad med klimatförändringar.
Anläggningar som filtrerar kol från luften har börjat dyka upp runt om i världen men de är fortfarande i sin linda. Tekniker för att minska koldioxid vid inträde i atmosfären, såsom vid kraftverk, är mer välutvecklade. Båda typerna av kolavskiljning kommer sannolikt att behövas om jorden ska undvika de värsta konsekvenserna av klimatförändringarna, säger forskare.
År 2021 valdes May Nyman från Oregon State, Terence Bradshaws kemiprofessor vid College of Science, till ledare för ett av nio direkta luftfångningsprojekt som finansierats av Department of Energy. Hennes team undersöker hur vissa övergångsmetallkomplex kan reagera med luft för att ta bort koldioxid och omvandla den till ett metallkarbonat, liknande det som finns i många naturligt förekommande mineraler.
Övergångsmetaller finns nära mitten av det periodiska systemet och deras namn kommer från övergången av elektroner från lågenergi till högenergitillstånd och tillbaka igen, vilket ger upphov till distinkta färger. För den här studien landade forskarna på vanadin, uppkallat efter Vanadis, det gamla nordiska namnet på den skandinaviska kärleksgudinnan som sägs vara så vacker att hennes tårar blev till guld.
Nyman förklarar att koldioxid finns i atmosfären med en densitet på 400 ppm. Det betyder att för varje miljon luftmolekyler är 400 av dem koldioxid, eller 0,04 %.
"En utmaning med direkt luftinfångning är att hitta molekyler eller material som är tillräckligt selektiva, eller andra reaktioner med rikligare luftmolekyler, såsom reaktioner med vatten, kommer att konkurrera ut reaktionen med CO2 ", sa Nyman. "Vårt team syntetiserade en serie molekyler som innehåller tre delar som är viktiga för att ta bort koldioxid från atmosfären, och de arbetar tillsammans."
En del var vanadin, så kallad på grund av utbudet av vackra färger den kan uppvisa, och en annan del var peroxid, som binds till vanadin. Eftersom en vanadinperoxidmolekyl är negativt laddad behövde den alkalikatjoner för laddningsbalansen, sa Nyman, och forskarna använde kalium-, rubidium- och cesiumalkalikatjoner för denna studie.
Hon tillade att kollaboratörerna också försökte ersätta vanadin med andra metaller från samma stadsdel i det periodiska systemet.
"Volfram, niob och tantal var inte lika effektiva i denna kemiska form," sa Nyman. "Å andra sidan var molybden så reaktivt att det exploderade ibland."
Dessutom ersatte forskarna ammonium och tetrametylammonium, varav den förra är svagt sur, med alkalierna. Dessa föreningar reagerade inte alls, ett pussel som forskarna fortfarande försöker förstå.
"Och när vi tog bort peroxiden, återigen, inte så mycket reaktivitet," sa Nyman. "I denna mening är vanadinperoxid en vacker, lila Guldlock som blir gyllene när den utsätts för luft och binder en koldioxidmolekyl."
Hon noterar att en annan värdefull egenskap hos vanadin är att det tillåter den jämförelsevis låga frisättningstemperaturen på cirka 200°C för den infångade koldioxiden.
"Det är jämfört med nästan 700 ° C när det är bundet till kalium, litium eller natrium, andra metaller som används för kolavskiljning," sa hon. "Att kunna återsläppa den fångade CO2 möjliggör återanvändning av kolinfångningsmaterialen, och ju lägre temperatur som krävs för att göra det, desto mindre energi behövs och desto lägre kostnad. Det finns några mycket smarta idéer om återanvändning av infångat kol som redan implementeras – till exempel rörledning av den fångade CO2 in i ett växthus för att odla växter."
Andra författare i Oregon State på tidningen var Tim Zuehlsdorff, biträdande professor i teoretisk/fysikalisk kemi, och postdoktorn Eduard Garrido.
"Jag är också riktigt stolt över det hårda arbetet av doktoranderna i mitt labb, Zhiwei Mao och Karlie Bach, och grundutbildningen Taylor Linsday," sa Nyman. "Detta är ett helt nytt område för mitt labb, såväl som för Tim Zuehlsdorff, som handledde doktoranden Jacob Hirschi i beräkningsstudierna för att förklara reaktionsmekanismerna. Att starta ett nytt studieområde innebär många okända."
Mer information: Eduard Garrido Ribó et al, Implementing vanadium peroxides as direct air carbon capture materials, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D
Tillhandahålls av Oregon State University
