Используя свет вместо тепла, исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США нашли новый способ высвобождения диоксида углерода (CO2) из растворителя, используемого при прямом улавливании воздуха, или DAC, для улавливания этого парникового газа. Новый подход прокладывает путь к экономически выгодному выделению CO2 из атмосферы.
Выделение диоксида углерода по требованию возможно, поскольку длительное возбужденное состояние новой кислоты контролирует концентрацию протонов в растворе с помощью ультрафиолетового света, создавая условия, которые приводят к энергоэффективному выделению CO2. В отличие от этого, современные технологии DAC фильтруют воздух через водный раствор, содержащий сорбент, такой как аминокислота, которая поглощает атмосферный CO2 и удерживает его. Нагревание растворителя высвобождает CO2 и регенерирует аминокислоту для вторичной переработки. СО2 можно либо хранить, либо перерабатывать в продукты с добавленной стоимостью, такие как этанол, полимеры или бетон.
«В существующих технологиях прямого улавливания воздуха высвобождение CO 2 и регенерация сорбента являются наиболее энергоемкими этапами», — сказал химик ORNL Инчжонг Ма, который руководил исследованием, опубликованным в Angewandte Chemie International Edition совместно с коллегами из ORNL Раду Кастельчаном и Увиндуни Премадасой, оба химики. «Цель здесь — использовать аминокислотный сорбент, который пригоден для вторичной переработки и обладает множеством привлекательных свойств, в сочетании с более энергоэффективным подходом к выделению CO2 и регенерации сорбента».
Национальная академия наук пришла к выводу, что технологии DAC играют определенную роль в ежегодном удалении миллиардов тонн CO2 из атмосферы, помогая ограничить повышение средней глобальной температуры менее чем на 2 градуса Цельсия. Однако высокие энергозатраты, связанные с регенерацией сорбента и высвобождением СО2 в масштабах, которые могли бы смягчить изменение климата, делают такое массовое внедрение серьезной проблемой, требующей разработки новых процессов DAC. Подход ORNL-led продемонстрировал концепцию использования облучения ультрафиолетовым светом в условиях окружающей среды вместо нагревания раствора для выделения CO2 и регенерации сорбента.
«Нагревание водных растворов является распространенным методом регенерации, но он чрезвычайно энергоемкий», — сказал Кастельсин, пионер в области DAC. «Мы хотели исключить тепло из уравнения».
В 2017 году Кастельсин провел исследование, которое доказало, что гуанидиновый сорбент может непосредственно улавливать CO2 из воздуха. В 2018 году он и его коллеги продемонстрировали практический энергоэффективный метод DAC, использующий солнечное тепло для стимулирования выделения парниковых газов из аминокислотного сорбента. В этом году стартап Holocene из Ноксвилла лицензировал технологию, чтобы подготовить ее к промышленному внедрению.
В этой новой разработке ключом к высвобождению CO2 в условиях окружающей среды является фотокислота, которая представляет собой молекулу, которая становится более кислой при поглощении света. Направьте свет на кислоту, такую как уксус, и ничего не произойдет. В отличие от этого, подвергните фотокислоту воздействию ультрафиолетового или видимого света, и химическая группа в середине кислоты переместится с противоположной стороны соединения на ту же сторону. Последующая реакция образует кольцо, приводящее к переносу протона, или иона водорода, в водный растворитель.
Этот перенос резко повышает кислотность раствора, вызывая изменение, называемое «колебанием рН». Избыточные протоны теперь могут взаимодействовать с бикарбонатом, или HCO3–, который образуется при реакции CO2 с сорбентом. Бикарбонат принимает протон, превращаясь в углекислоту, или H2CO3, которая находится всего в одном энергетически выгодном шаге от диоксида углерода и воды.
«В этой статье описывается первый случай, когда макроскопическое изменение рН, длящееся от минут до часов, было продемонстрировано с использованием света в качестве внешнего триггера для инициирования реакции регенерации СО2», — сказал Вячеслав Брянцев, руководитель группы химического разделения ORNL и соавтор статьи.