Чтобы замедлить глобальное потепление, необходимо значительно сократить выбросы парниковых газов. Это включает в себя поэтапный отказ от ископаемого топлива и внедрение энергосберегающих технологий. Однако одного только сокращения выбросов недостаточно для достижения климатических целей. Также крайне важно удалить большое количество углекислого газа из атмосферы и хранить его под землей или повторно использовать в промышленности в качестве углеродно-нейтральных материалов. Современные технологии улавливания углерода, хотя и эффективны, но энергоемки и дорогостоящи.
Поэтому исследователи из ETH Zurich разрабатывают новый способ использования света. При таком подходе энергия, необходимая для будущего улавливания углерода, будет поступать от Солнца.
Ученые под руководством Марии Лукацкой, профессора электрохимических энергетических систем, используют тот факт, что в кислой воде углекислый газ существует в виде углекислого газа, а в щелочной воде углекислый газ реагирует с образованием карбонатов, известных как карбонаты. Эта химическая реакция обратима. Кислотность жидкости определяет, содержит ли она углекислый газ или карбонаты.
Чтобы повлиять на кислотность жидкости, исследователи добавили молекулы, реагирующие на свет (так называемые фотокислоты). Если осветить эту жидкость, эти молекулы сделают ее кислой. В темноте они возвращаются в исходное состояние, делая жидкость щелочной.
Вот как подробно работает метод исследователей ETH: исследователи отделяют углекислый газ из воздуха в темноте, пропуская его через жидкость, содержащую фотокислоту. Поскольку эта жидкость щелочная, углекислый газ вступает в реакцию и образует карбонаты. Как только соль в жидкости накопилась до определенного уровня, исследователи освещают жидкость. Это делает жидкость кислой, а карбонаты превращаются в углекислый газ. Углекислый газ выходит из жидкости, как в бутылке из-под кока-колы, и может быть собран в бензобак. Когда в жидкости почти не осталось углекислого газа, исследователи выключили источник света и цикл начался заново, позволяя жидкости улавливать углекислый газ.
«Однако на практике возникла проблема: используемая фотокислота не была стабильной в воде», — говорит Аннад Врис, аспирант исследовательской группы Лукацкой и первый автор исследования. «Во время самых ранних экспериментов мы обнаружили, что молекула разложилась через день».
Итак Лукацкая, де Врис и их коллеги проанализировали распад молекулы. Эту проблему они решили, реагируя не в воде, а в смеси воды и органических растворителей. Ученые определили оптимальное соотношение двух жидкостей посредством лабораторных экспериментов и объяснили свои выводы с помощью модельных расчетов, проведенных исследователями из Университета Сорбонны в Париже.
Во-первых, смесь сохраняла стабильность молекул фотокислоты в растворе в течение почти месяца. С другой стороны, это гарантирует, что свет может переключаться между кислотными и щелочными растворами по мере необходимости. Если бы органический растворитель, использованный исследователями, не содержал воды, реакция была бы необратимой.
Другие процессы улавливания углерода также являются циклическими. Одним из хорошо зарекомендовавших себя методов является использование фильтров для улавливания молекул углекислого газа при температуре окружающей среды. Чтобы впоследствии удалить из фильтра углекислый газ, фильтр необходимо нагреть примерно до 100 градусов Цельсия. Однако как нагрев, так и охлаждение являются энергоемкими: на них приходится большая часть энергии, необходимой для фильтрующих методов.
«Напротив, наш процесс не требует ни нагревания, ни охлаждения, поэтому он требует гораздо меньше энергии», — сказала Лукацкая. «Кроме того, новый метод исследователей ETH может также работать только на солнечном свете. Еще одна интересная особенность нашей системы заключается в том, что мы можем переходить от щелочной среды к кислотной за секунды и обратно к щелочной за минуты. Это позволяет нам переключаться между улавливанием и выделением углерода гораздо быстрее, чем система, управляемая температурой».
В этом исследовании ученые показали, что фотокислоту можно использовать для улавливания углекислого газа в лаборатории. Далее они еще больше улучшат стабильность молекулы фотокислоты и выведут ее на рынок. Им также необходимо изучить параметры всего процесса для дальнейшей оптимизации процесса.
Ссылка: «Растворенные настроенные фотокислоты как стабильные световые переключатели pH для захвата и высвобождения углекислого газа», Аннад Врис, Катерина Головизнина, Мануэль Райтер, Матье Саланн и Мария Р. Лукацкая, 20 декабря 2023 г., «Химия материалов».
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
Собрано из /scitechdaily