Forskare vid Oregon State University College of Science har visat potentialen hos ett billigt nanomaterial för att skrubba koldioxid från industriella utsläpp.
Resultaten, publicerade i Cell Reports Physical Science , är viktiga eftersom förbättrade kolavskiljningsmetoder är en nyckel för att hantera klimatförändringar, säger OSU:s Kyriakos Stylianou, som ledde studien.
Koldioxid, en växthusgas, härrör från förbränning av fossila bränslen och är en av de främsta orsakerna till ett värmande klimat.
Anläggningar som filtrerar kol från luften börjar dyka upp runt om i världen – världens största öppnade 2021 på Island – men de är inte redo att göra ett stort hack i det globala utsläppsproblemet, konstaterar Stylianou. På ett år kan anläggningen på Island dra ut en koldioxidmängd som motsvarar de årliga utsläppen från cirka 800 bilar.
Tekniker för att minska koldioxid vid inträde i atmosfären, såsom en fabrik, är dock relativt väl utvecklade. En av dessa tekniker involverar nanomaterial som kallas metallorganiska ramverk, eller MOF, som kan fånga upp koldioxidmolekyler genom adsorption när rökgaser tar sig igenom skorstenar.
"Fångningen av koldioxid är avgörande för att nå målen för nettonollutsläpp", säger Stylianou, biträdande professor i kemi. "MOFs har visat mycket lovande för kolavskiljning på grund av deras porositet och deras strukturella mångsidighet, men att syntetisera dem innebär ofta att man använder reagenser som är kostsamma både ekonomiskt och miljömässigt, som tungmetallsalter och giftiga lösningsmedel."
Dessutom, att hantera vattendelen av skorstensgaser komplicerar i hög grad att ta bort koldioxiden, sade han. Många MOF som har visat kolavskiljningspotential förlorade sin effektivitet under fuktiga förhållanden. Rökgaser kan torkas, sa Stylianou, men det ökar avsevärda kostnader för koldioxidavlägsnandeprocessen, tillräckligt för att göra den olämplig för industriella tillämpningar.
"Så vi försökte komma med en MOF för att ta itu med de olika begränsningarna hos de material som för närvarande används vid kolavskiljning:hög kostnad, dålig selektivitet för koldioxid, låg stabilitet under fuktiga förhållanden och låg CO2 upptagningskapacitet", sa han.
MOF är kristallina, porösa material som består av positivt laddade metalljoner omgivna av organiska "linker"-molekyler som kallas ligander. Metalljonerna gör noder som binder länkarnas armar för att bilda en repeterande struktur som ser ut ungefär som en bur; strukturen har porer i nanostorlek som adsorberar gaser, liknande en svamp.
MOFs kan designas med en mängd olika komponenter, som bestämmer MOF:s egenskaper, och det finns miljontals möjliga MOFs, sa Stylianou. Nästan 100 000 av dem har syntetiserats av kemiforskare, och egenskaperna hos ytterligare en halv miljon har förutspåtts.
"I denna studie introducerar vi en MOF som består av aluminium och en lättillgänglig ligand, bensen-1,2,4,5-tetrakarboxylsyra," sa Stylianou. "Syntesen av MOF sker i vatten och tar bara ett par timmar. Och MOF har porer med en storlek som är jämförbar med den för CO2 molekyler, vilket betyder att det finns ett begränsat utrymme för att fängsla koldioxiden."
MOF fungerar bra i fuktiga förhållanden och föredrar även koldioxid framför kväve, vilket är viktigt eftersom kväveoxider är en ingrediens i rökgaser. Utan den selektiviteten skulle MOF potentiellt binda till fel molekyler.
"Denna MOF är en enastående kandidat för våt efterförbränning av kolavskiljning", sa Stylianou. "Det är kostnadseffektivt med exceptionell separationsprestanda och kan regenereras och återanvändas minst tre gånger med jämförbar upptagningskapacitet."
Forskare från Columbia University, Pacific Northwest National Laboratory och Chemspeed Technologies AG i Schweiz deltog också i denna forskning, liksom kemister från Oregon State Ryan Loughran, Tara Hurley och Andrzej Gładysiak.
Mer information: Ryan P. Loughran et al, CO2-avskiljning från våt rökgas med hjälp av ett vattenstabilt och kostnadseffektivt metall-organiskt ramverk, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101470
Journalinformation: Cell Reports Physical Science
Tillhandahålls av Oregon State University
