Magnesiumoxid är ett lovande material för att fånga upp koldioxid direkt från atmosfären och injicera den djupt under jorden för att begränsa effekterna av klimatförändringar. Men att göra metoden ekonomisk kommer att kräva att man upptäcker den hastighet med vilken koldioxid absorberas och hur miljöförhållandena påverkar de kemiska reaktionerna.
Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory analyserade en uppsättning magnesiumoxidkristallprover exponerade för atmosfären i årtionden, och en annan i dagar till månader, för att mäta reaktionshastigheterna. De fann att koldioxid tas upp långsammare under längre tidsperioder på grund av ett reagerat lager som bildas på ytan av magnesiumoxidkristallerna.
Resultaten publiceras i tidskriften Environmental Science &Technology .
"Det här reagerade lagret är en komplicerad blandning av olika fasta ämnen, vilket begränsar möjligheten för koldioxidmolekyler att hitta färsk magnesiumoxid att reagera med. För att göra denna teknik ekonomisk, tittar vi nu på sätt att övervinna denna pansareffekt", säger ORNL:s Juliane Weber, projektets huvudutredare.
Andrew Stack, en forskare vid ORNL och teammedlem i projektet, sa:"Om vi kan göra det kan den här processen kunna uppnå målet Carbon Negative Energy Earthshot att fånga gigatonnivåer av koldioxid från luft för mindre än $100 per ton koldioxid."
Det mesta av den tidigare forskningen, som syftade till att förstå hur snabbt de kemiska reaktionerna av magnesiumoxid och koldioxid sker, förlitade sig på grova beräkningar snarare än materialtestning. ORNL-studien markerar första gången ett flerdecenniumstest har genomförts för att bestämma reaktionshastigheten över långa tidsskalor. Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi vid Center for Nanophase Materials Science, eller CNMS, vid ORNL fann forskarna att ett reagerat lager bildas. Detta skikt består av en mängd komplexa kristallina och amorfa hydratiserade och karbonatfaser.
"Dessutom, genom att utföra några datorsimuleringar med reaktiv transportmodellering, bestämde vi att när det reagerade lagret byggs upp, blir det bättre och bättre på att blockera koldioxid från att hitta färsk magnesiumoxid att reagera med," sa ORNLs forskare Vitaliy Starchenko. "Därför tittar vi framöver på sätt att kringgå denna process för att tillåta koldioxid att hitta en ny yta att reagera med."
Datorsimuleringarna hjälper forskare och ingenjörer att förstå hur det reagerade lagret utvecklas och förändrar hur ämnen rör sig genom det över tiden. Datormodeller möjliggör förutsägelser om reaktioner och rörelser hos material i naturliga och tekniska system, såsom materialvetenskap och geokemi.
Mer information: Juliane Weber et al, Armoring of MgO by a Passivation Layer hindrar direkt luftavskiljning av CO2, Environmental Science &Technology (2023). DOI:10.1021/acs.est.3c04690
Journalinformation: Miljövetenskap och teknik
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
