Om vi vill bromsa den globala uppvärmningen måste vi drastiskt minska utsläppen av växthusgaser. Bland annat måste vi klara oss utan fossila bränslen och använda mer energieffektiv teknik.
Att minska utsläppen enbart räcker dock inte för att nå klimatmålen. Vi måste också fånga upp stora mängder av växthusgasen CO2 från atmosfären och antingen lagra det permanent under jord eller använda det som ett kolneutralt fodermaterial inom industrin. Tyvärr kräver kolavskiljningstekniken som finns tillgänglig idag mycket energi och är motsvarande dyra.
Det är därför forskare vid ETH Zürich utvecklar en ny metod som använder ljus. Med denna process kommer energin som krävs för kolavskiljning i framtiden att komma från solen. Deras arbete har publicerats i Chemistry of Materials .
Ledda av Maria Lukatskaya, professor i elektrokemiska energisystem, utnyttjar forskarna det faktum att i sura vattenhaltiga vätskor, CO2 finns som CO2 , men i alkaliska vattenhaltiga vätskor, reagerar den och bildar salter av kolsyra, så kallade karbonater. Denna kemiska reaktion är reversibel. En vätskas surhet avgör om den innehåller CO2 eller en karbonat.
För att påverka surheten i deras vätska lade forskarna till molekyler, så kallade fotosyror, som reagerar på ljus. Om sådan vätska sedan bestrålas med ljus gör molekylerna den sur. I mörker återgår de till det ursprungliga tillståndet som gör vätskan mer alkalisk.
Så här fungerar ETH-forskarnas metod i detalj:Forskarna separerar CO2 från luften genom att passera luften genom en vätska som innehåller fotosyror i mörker. Eftersom denna vätska är alkalisk är CO2 reagerar och bildar karbonater. Så fort salterna i vätskan har ackumulerats i betydande grad bestrålar forskarna vätskan med ljus. Detta gör det surt, och karbonaterna omvandlas till CO2 .
CO2 bubblar ut ur vätskan, precis som det gör i en flaska cola, och kan samlas upp i bensintankar. När det knappt finns någon CO2 kvar i vätskan släcker forskarna ljuset och cykeln börjar om igen, med vätskan redo att fånga upp CO2 .
I praktiken fanns det dock ett problem:fotosyrorna som används är instabila i vatten. "Under loppet av våra tidigaste experiment insåg vi att molekylerna skulle sönderfalla efter en dag", säger Anna de Vries, doktorand i Lukatskayas grupp och huvudförfattare till studien.
Så Lukatskaya, de Vries och deras kollegor analyserade molekylens förfall. De löste problemet genom att köra sin reaktion inte i vatten utan i en blandning av vatten och ett organiskt lösningsmedel. Forskarna kunde bestämma det optimala förhållandet mellan de två vätskorna genom laboratorieexperiment och kunde förklara sina resultat tack vare modellberäkningar utförda av forskare från Sorbonne-universitetet i Paris.
För det första gjorde denna blandning det möjligt för dem att hålla fotosyramolekylerna stabila i lösningen i nästan en månad. För en annan säkerställde den att ljus kunde användas för att byta lösningen fram och tillbaka efter behov mellan att vara sur och att vara alkalisk. Om forskarna skulle använda det organiska lösningsmedlet utan vatten skulle reaktionen vara irreversibel.
Andra kolavskiljningsprocesser är också cykliska. En etablerad metod fungerar med filter som samlar in CO2 molekyler vid rumstemperatur. För att sedan ta bort CO2 från filtren måste dessa värmas upp till cirka 100° Celsius. Men uppvärmning och kylning är energikrävande:de står för den största delen av den energi som krävs av filtermetoden.
"Däremot kräver vår process ingen uppvärmning eller kylning, så den kräver mycket mindre energi," säger Lukatskaya. Mer än så fungerar ETH-forskarnas nya metod potentiellt enbart med solljus.
"En annan intressant aspekt av vårt system är att vi kan gå från alkaliskt till surt inom några sekunder och tillbaka till alkaliskt inom några minuter. Det låter oss växla mellan kolavskiljning och frigöring mycket snabbare än i ett temperaturdrivet system", förklarar de Vries.
Med denna studie har forskarna visat att fotosyror kan användas i laboratoriet för att fånga CO2 . Deras nästa steg på vägen mot marknadsmognad blir att ytterligare öka stabiliteten hos fotosyramolekylerna. De måste också undersöka parametrarna för hela processen för att optimera den ytterligare.
Mer information: Anna de Vries et al, Solvation-Tuned Photoacid as a stabil light-driven pH switch for CO2 capture and release, Materialchemistry of Materials (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
Journalinformation: Materialens kemi
Tillhandahålls av ETH Zürich
