Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Chemicy z niemieckiego Uniwersytetu w Bayreuth opracowali materiał, którego właściwości mogą mieć duże znaczenie dla ochrony klimatu i zrównoważonej produkcji przemysłowej. Dzięki temu materiałowi dwutlenek węgla może być oddzielony od pozostałych gazów, które powstają jako produkt uboczny działalności przemysłowej. Materiał sprawdza się równie dobrze wobec gazów naturalnych i biogazów. Jego istotną wartością jest też podatność na recykling. Odzyskanie dwutlenku węgla z wynalezionego materiału jest bardzo efektywne i nie wymaga dużych nakładów energii. Struktura i funkcjonalność nowego materiału została opisana w czasopiśmie „Cell Reports Physical Science”.

Jednym z kluczowych wyzwań “Europejskiego Zielonego Ładu”, ogłoszonego przez Komisję Europejską w 2019 roku, jest redukcja emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Do 2050 roku emisja ma osiągnąć zerowy poziom netto, co oznacza, że ilość gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, emitowanych do atmosfery ma się równoważyć z tym, ile pochłaniane jest przez przyrodę, przede wszystkim przez lasy. Ograniczanie produkcji przemysłowej, która wytwarza gazy cieplarniane jako efekt uboczny, jest bardzo kosztowne dla gospodarki. Środkiem zaradczym może być większe filtrowanie emitowanych gazów. To jednak tylko rozwiązanie pośrednie, o ile nie nauczymy się przetwarzać filtrów i odzyskiwać powstałe w tym procesie zasoby. Co więcej, takie działanie musi samo być bardzo efektywne energetycznie.

Materiał, który został opracowany na Uniwersytecie w Bayreuth ma tę fundamentalną przewagę nad dotychczas znanymi i stosowanymi materiałami, że jest w stanie całkowicie usunąć dwutlenek węgla z mieszaniny gazów bez jego chemicznego wiązania. CO₂ gromadzi się we wnękach tego materiału wyłącznię w wyniku procesów fizycznych. Dzięki temu może być stamtąd uwolniony bez dużego nakładu energii, a następnie użyty ponownie w innych działaniach przemysłowych.

Chemicy pracujący w laboratoriach w Bayreuth testowali swój nowy materiał przy wielu różnych mieszankach gazów i za każdym razem zatrzymywał on tylko dwutlenek węgla. Materiał działa na zasadzie adsorpcji fizycznej, której walorem jest niski wydatek energetyczny. Niczym duży zbiornik, materiał może być wypełniony, a następnie opróżniony z dwutlenku węgla bez specjalnych, kosztowych energetycznie, procesów chemicznych.

Naszemu zespołowi badawczemu udało się zaprojektować materiał, który sprawdza się jednocześnie w dwóch zadaniach – wyjaśnia Martin Rieß, doktorant pracujący w zespole chemii nieorganicznej na Uniwersytecie w Bayreuth, pierwszy autor publikacji w „Cell Reports Physical Science”. – Z jednej strony fizyczne interakcje tego materiału z CO₂ są wystarczająco silne, aby uwolnić i zatrzymać ten gaz z mieszaniny gazów. Z drugiej jednak strony są one na tyle słabe, że pozwalają później na uwolnienie CO₂ z materiału przy niewielkim nakładzie energii.

Wynaleziony materiał to hybryda organiczna i nieorganiczna. Podstawowym chemicznym budulcem nowego materiału są minerały ilaste, składające się z setek pojedynczych szklanychp łytek. Każda z nich ma tylko jeden nanometr grubości i jest ułożona dokładnie jedna nad drugą. Pomiędzy poszczególnymi płytkami znajdują się cząsteczki organiczne, które spełniają rolę przekładek. Ich kształt i właściwości chemiczne zostały tak dobrane, aby porowate przestrzenie, które tworzą, były optymalnie przygotowane do zbierania dwutlenku węgla. Tylko cząsteczki CO₂ mogą wnikać do takiej struktury i zostać tam zatrzymane. Takie gazy jak metan, azot czy inne składniki spalin przemysłowych, mają zbyt duże cząstki, aby dostać sie do środka. Aby zwiększyć selektywność materiału, naukowcy wykorzystali tzw. efekt sita molekularnego. Obecnie skupiają się na opracowaniu systemu membranowego opartego na minerałach ilastych, zaprojektowanego tak, aby umożliwić ciągłe, selektywne i energooszczędne oddzielanie CO₂ z mieszanin gazowych.

Stworzenie takiego materiału w laboratoriach Uniwersytetu w Bayreuth było możliwe, dzięki opracowanemu tam specjalnemu systemowi pomiarowemu, który daje możliwość określenia ilości zaabsorbowanego gazu i określenie jego specyfiki. Naukowcy odtworzyli też precyzyjnie odpowiednie etapy procesu przemysłowego.

Zdaniem badaczy, materiał można produkować w ekonomicznych warunkach. Jego zastosowanie może znacząco przyczynić się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w procesach przemysłowych, a także tam, gdzie spalane są biopaliwa i gaz ziemny.

Źródło badań: Martin Rieß, Renée Siegel, Jürgen Senker, Josef Breu: Diammonium-Pillared MOPS with Dynamic CO₂ Selectivity, Cell Reports Physical Science (2020), DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100210

Opracowano na podstawie artykułu Climate protection: Bayreuth chemists develop new material for the separation of CO₂ from industrial waste gases opublikowanego w postaci informacji prasowej na stronie internetowej Uniwersytetu w Bayreuth.