Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem prof. Cafera T. Yavuza z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), prof. Bo Liu z University of Science and Technology of China (USTC) oraz prof. Qiang Xu z Southern University of Science and Technology (SUSTech) opracował obiecującą metodę wychwytywania i magazynowania dwutlenku węgla z wykorzystaniem jednokrystalicznej soli klatratu na bazie siarczanu guanidyny.

Hydrat metanu jest badany pod kątem jego zdolności do wychwytywania i zatrzymywania cząsteczek gazu, takich jak dwutlenek węgla, pod wysokim ciśnieniem. Jednak odtworzenie tych warunków w laboratorium jest trudne lub wręcz niemożliwe, a podejście to jest dodatkowo energochłonne, gdyż ciało stałe metanu wymaga chłodzenia. Wykorzystując sól na bazie siarczanu guanidyny, naukowcy z powodzeniem stworzyli kratownicowe struktury zwane klatratami, które skutecznie naśladują aktywność hydratów metanu, zatrzymując cząsteczki CO2 i dając w efekcie energooszczędny sposób na zatrzymanie gazu cieplarnianego.

- Siarczany guanidyny potrafią uporządkować i uwięzić cząsteczki CO2 w swojej strukturze, nie reagując z nimi. Odkryliśmy rzadki przykład klatratu, który jest stabilny i niekorodujący w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, co jest bardzo pożądaną cechą w porównaniu z aminą etanolową, amoniakiem i innymi rozwiązaniami, które są powszechnie stosowane w wychwytywaniu węgla - mówił Caffer Yavuz, profesor chemii i dyrektor laboratorium KAUST Oxide and Organic Nanomaterials for Energy & Environment (ONE).

Dotychczasowe metody wychwytywania węgla obejmowały chemisorpcję, w której między cząsteczkami CO2 a powierzchnią tworzyły się wiązania chemiczne. Proces ten działał dobrze, jednak wiązania chemiczne wymagają energii do ich rozerwania, co podnosi koszty operacji wychwytywania CO2. Struktura klatratu oparta na soli wykorzystuje niskoenergetyczne procesy fizyisorpcyjne, jednocześnie wychwytując CO2 bez ingerencji wody lub azotu, co otwiera obiecujące możliwości dla przyszłych technologii wychwytywania i przechowywania węgla poprzez szybkie zestalanie CO2.

Schematyczna demonstracja odwracalnych formacji klatratów z wahaniami ciśnienia dla procesu wychwytywania i uwalniania CO2. (A) Hydrat CO2, gdzie cząsteczki CO2 są uwięzione w klastrach wody przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach. (B) Klatrat z siarczanu guanidyny i CO2, CO2@Gua2SO4, gdzie CO2 może być wychwytywany przy ciśnieniu tak niskim jak 32 kPa i temperaturach odpowiadających warunkom gazów spalinowych (35°C i poniżej). (Źródło: sciencedirect.com)

Odkrycie to wprowadza nowy sposób przechowywania i transportu dwutlenku węgla w postaci stałej. CO2 jest konwencjonalnie przenoszony jako ciało stałe w postaci suchego lodu; sprężony w butlach gazowych; lub w postaci węglanów. Klatrat soli pozwala na transport CO2 w postaci stałego proszku, dając niezwykle wysoką wydajność objętościową w stosunku do masy, co czyni tę metodę najmniej energochłonną, z ogromnym potencjałem dla rzeczywistych zastosowań.

- Nasz zespół stworzył możliwość przenoszenia CO2 w postaci stałej bez konieczności stosowania chłodzenia lub ciśnienia. Od teraz będzie można dosłownie łopatą przenosić ciała stałe załadowane CO2. Wpływ jest szeroki i silny, ponieważ globalny przemysł paliwowy i podmioty z Królestwa aktywnie poszukują sposobów na wychwytywanie, przechowywanie i transport CO2 bez znaczących kar energetycznych - podkreślał Yavuz.

Zespół badawczy jest przekonany, że ich odkrycia doprowadzą do dalszej poprawy procesu wychwytywania CO2 pod względem stabilności, możliwości recyklingu, pojemności sorpcyjnej i selektywności oraz obniżenia kosztów.

Badania zostały przeprowadzone na Southern University of Science and Technology, University of Science and Technology of China oraz King Abdullah University of Science and Technology.

Źródło: sciencedirect, KAUST