Zaujalo nás: Tento jednoduchý materiál by mohl odstranit oxid uhličitý z komínů elektráren

Snadno syntetizovatelný chemický filtr by tak zabránil skleníkovému plynu dostat se do atmosféry

Kouř z uhelných elektráren, na obrázku vlevo, obsahuje velké množství skleníkového plynu oxidu uhličitého (fialové tripartitní molekuly). Mravenčan hlinitý, kovově-organická konstrukce, jejíž struktura je zvýrazněna vpravo, může selektivně zachycovat oxid uhličitý ze sušených spalin, potenciálně za zlomek nákladů ve srovnání s použitím jiných uhlíkových filtračních materiálů. Kredit: B. Hayes/NIST

Jak můžeme odstranit oxid uhličitý, skleníkový plyn, z kouřových plynů elektráren na fosilní paliva dříve, než se vůbec dostane do atmosféry? Nová zjištění naznačují, že slibná odpověď spočívá v jednoduchém, ekonomickém a potenciálně znovu použitelném materiálu analyzovaném v Národním institutu pro standardy a technologie (NIST), kde vědci z několika institucí zjistili, proč tento materiál působí tak dobře, jak funguje. 

Předmětem studie týmu je mravenčan hlinitý, jedna ze třídy látek nazývaných metal-organic frameworks (MOF). Jako skupina mají MOF velký potenciál pro filtrování a separaci organických materiálů – často různých uhlovodíků ve fosilních palivech – od sebe navzájem. Některé MOFs se ukázaly jako slibné při rafinaci zemního plynu nebo oddělování oktanových složek benzínu; jiné mohou přispět ke snížení nákladů na výrobu plastů nebo levné přeměně jedné látky na jinou. Jejich schopnost provádět takové separace pochází z jejich inherentně porézní povahy.

„Mravenčan hlinitý, který vědci označují jako ALF, má talent oddělovat oxid uhličitý (CO₂) od ostatních plynů, které běžně vylétají z komínů uhelných elektráren. Také postrádá nedostatky, které mají jiné navrhované uhlíkové filtrační materiály,“ řekl Hayden Evans z NIST, jeden z hlavních autorů výzkumné práce týmu, publikované v recenzovaném časopise Science Advances .

„To, co dělá tuto práci vzrušující, je to, že ALF funguje opravdu dobře ve srovnání s jinými vysoce výkonnými adsorbenty CO₂, ale konkuruje designovým směsím ve své jednoduchosti, celkové stabilitě a snadné přípravě," uvedl Evans, chemik z NIST Center for Neutron. „Je vyroben ze dvou látek, které lze snadno a hojně nalézt, takže vytvoření dostatečného množství ALF pro široké použití by mělo být možné za velmi nízkou cenu."

Výzkumný tým zahrnuje vědce z National University of Singapore; Singapurské agentury pro vědu, technologii a výzkum; University of Delaware a University of California, Santa Barbara. 

Uhelné elektrárny mají na svědomí zhruba 30 % celosvětových emisí CO₂. I když svět zahrnuje jiné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, které neprodukují skleníkové plyny, nalezení způsobu, jak snížit produkci uhlíku stávajících elektráren, by mohlo pomoci zmírnit jejich účinky, dokud zůstanou v provozu. 

Čištění CO₂ ze spalin předtím, než se dostanou do atmosféry, je logický přístup, ale ukázalo se, že je náročné vytvořit účinnou pračku. Směs plynů, která proudí nahoru komíny uhelných elektráren, je obvykle poměrně horká, vlhká a korozivní – vlastnosti, které znesnadňují nalezení ekonomického materiálu, který by tuto práci mohl efektivně vykonávat. Některé další MOF fungují dobře, ale jsou vyrobeny z drahých materiálů; jiné jsou samy o sobě méně nákladné, ale fungují přiměřeně pouze v suchých podmínkách, což vyžaduje „krok sušení“, který snižuje vlhkost plynu, ale zvyšuje celkové náklady na proces čištění. 

„Dejte to všechno dohromady, potřebujete nějaký zázračný materiál," řekl Evans. „Tady se nám podařilo zaškrtnout všechna políčka kromě stability ve velmi vlhkých podmínkách. Použití ALF by však bylo dostatečně levné, aby se krok sušení stal životaschopnou možností. 

"ALF funguje opravdu dobře ve srovnání s jinými vysoce výkonnými adsorbenty oxidu uhličitého, ale konkuruje designovým sloučeninám ve své jednoduchosti, celkové stabilitě a snadné přípravě." - Hayden Evans, chemik NIST

ALF se vyrábí z hydroxidu hlinitého a kyseliny mravenčí, dvou chemikálií, které jsou hojně a snadno dostupné na trhu. Podle Evanse by stál kilogram méně než dolar, což je až 100krát méně než jiné materiály s podobným výkonem. Nízká cena je důležitá, protože zachycování uhlíku v jednom závodě by mohlo vyžadovat až desítky tisíc tun filtračního materiálu. Množství potřebné pro celý svět by bylo obrovské.  

V mikroskopickém měřítku připomíná ALF trojrozměrnou drátěnou klec s nesčetnými malými otvory. „Tyto otvory jsou dostatečně velké, aby umožnily molekulám CO₂ vstoupit a zachytit se, ale dostatečně malé, aby vyloučily o něco větší molekuly dusíku, které tvoří většinu spalin. Neutronová difrakční práce v NCNR ukázala týmu, jak se jednotlivé klece v materiálu shromažďují a plní CO₂, a odhalila, že molekuly plynu zapadají do určitých klecí v ALF jako ruka v rukavici,“ řekl Evans.

Přes svůj potenciál není ALF připraven k okamžitému použití. Inženýři by museli navrhnout postup pro vytvoření ALF ve velkém měřítku. Uhelné zařízení by také potřebovalo kompatibilní proces pro snížení vlhkosti spalin před jejich čištěním. Evans uvedl, že již hodně rozumíme tomu, jak tyto problémy řešit, a že náklady na používání ALF nebudou příliš vysoké. 

Co dělat s CO₂ poté je také hlavní otázkou, řekl, ačkoli je to problém pro všechny materiály zachycující uhlík. Probíhají výzkumné snahy o její přeměnu na kyselinu mravenčí – což je nejen přirozeně se vyskytující organický materiál, ale také jedna ze dvou složek ALF. Myšlenka je taková, že ALF by se mohl stát součástí cyklického procesu, kde ALF odstraňuje CO₂ z kouřových proudů a že zachycený CO₂ se používá k vytvoření více kyseliny mravenčí. Tato kyselina by pak byla použita k výrobě většího množství ALF, což by dále snížilo celkový dopad a náklady na materiálový cyklus.

„V současné době probíhá velké množství výzkumů ohledně problému, co dělat se vším zachyceným CO₂," zdůraznil Evans. „Zdá se reálné, že bychom nakonec mohli využít sluneční energii k odštěpení vodíku z vody a pak tento vodík zkombinovat s CO₂, abychom vytvořili více kyseliny mravenčí. V kombinaci s ALF je to řešení, které pomůže planetě.“ 

Referát: HA Evans, D. Mullangi, Z. Deng, Y. Wang, SB Peh, F. Wei, J. Wang, CM Brown, D. Zhao, P. Canepa a AK Cheetham. Formiát hlinitý, Al(HCOO)₃: Ve světě hojný, škálovatelný a vysoce selektivní materiál pro zachycování CO_{2 .} Vědecké pokroky. Publikováno online 2. listopadu 2022. DOI:  10.1126/sciadv.ade1473 (8.11.2022)