Sandia National Laboratories biyomühendisi Susan Rempe (solda) ve kimya mühendisi Tuan Ho, bir tür kilin kimyasal yapısının sanatsal bir temsilini inceliyor. Ekipleri, kilin karbondioksiti yakalamak için nasıl kullanılabileceğini araştırıyor. Kredi: Fotoğraf: Craig Fritz/Sandia National Laboratories
Sandia National Laboratories’deki bilim adamları, kili doğrudan havadan karbondioksit kapmak için inceliyorlar.
Yine de, atmosferik karbondioksit seviyesi — bir ısıyı hapsetmede harika olan ve iklim değişikliğine katkıda bulunan gaz — Sanayi Devrimi’nden öncekinin neredeyse iki katı, soluduğumuz havanın yalnızca %0,0415’ini oluşturuyor.
Bu, yapay ağaçlar veya doğrudan havadan karbondioksit yakalamanın diğer yöntemlerini tasarlamaya çalışan araştırmacılar için bir meydan okuma. Bu, Sandia Ulusal Laboratuvarları liderliğindeki bilim adamlarından oluşan bir ekibin çözmeye çalıştığı bir sorundur.
Sandia kimya mühendisi Tuan Ho liderliğindeki ekip, güçlü bilgisayar modellerini laboratuvar deneyleriyle birleştirerek bir tür kil, karbondioksiti emebilir ve depolayabilir.
Bilim adamları, ilk bulgularını bu hafta başlarında The Journal of Physical Chemistry Letters’da yayınlanan bir makalede paylaştılar.
“Bu temel bulguların, doğrudan hava yakalama; Gazetenin başyazarı Ho, bunun için çalışıyoruz. “Kil gerçekten ucuz ve doğada bol miktarda bulunuyor. Bu yüksek riskli, yüksek kazançlı proje nihayetinde bir teknolojiye yol açarsa, bu, doğrudan havadan karbon yakalama maliyetini önemli ölçüde azaltmamıza olanak sağlamalıdır.”
Neden karbonu tutuyorsunuz?
Karbon yakalama ve ayırma, daha sık şiddetli fırtınalar, yükselen deniz seviyeleri ve artan kuraklıklar gibi iklim değişikliğinin etkilerini azaltmak amacıyla Dünya atmosferindeki fazla karbondioksiti yakalama ve yerin derinliklerinde depolama sürecidir ve orman yangınları Bu karbondioksit, fosil yakıt yakan elektrik santrallerinden veya çimento fırınları gibi diğer endüstriyel tesislerden veya teknolojik olarak daha zorlu olan doğrudan havadan yakalanabilir. Karbon tutma ve ayırma, iklim müdahalesi için düşünülen en az tartışmalı teknolojilerden biri olarak kabul ediliyor.
Sandia biyomühendisi ve kıdemli bilim adamı Susan Rempe, “Çevreyi bozmadan, düşük maliyetli enerji istiyoruz,” dedi. Proje üzerinde. “Çok fazla karbondioksit üretmeyecek şekilde yaşayabiliriz, ancak komşularımızın ne yaptığını kontrol edemeyiz. Doğrudan havayla karbon yakalama, havadaki karbondioksit miktarını azaltmak ve komşularımızın saldığı karbondioksiti azaltmak için önemlidir.”
Ho, kil bazlı cihazların karbondioksiti emmek için sünger gibi kullanılabileceğini düşünüyor. ve sonra karbon dioksit süngerden “sıkıştırılabilir” ve yerin derinliklerine pompalanabilir. Ya da kil, depolama için havadaki karbondioksiti yakalayan bir filtre gibi daha çok kullanılabilir.
Kil, ucuz ve yaygın olarak bulunabilmesinin yanı sıra kararlıdır ve yüksek bir yüzey alanına sahiptir. insan saçı çapından yaklaşık yüz bin kat daha küçük çatlaklara ve yarıklara sahip birçok mikroskobik parçacık. Rempe, bu küçük boşluklara nano gözenekler denir ve bu nano ölçekli gözeneklerdeki kimyasal özelliklerin değişebileceğini söyledi.
Bu, Rempe’nin karbon dioksiti yakalamak için nano yapılı malzemeleri ilk kez incelemesi değil. Aslında, karbondioksiti suya dayanıklı bikarbonata dönüştürmek için biyolojik bir katalizör üzerinde çalışan, biyolojik katalizörü korumak için ince, nano yapılı bir zar tasarlayan ve bir patent alan ekibin bir parçası. } biyo-esinli, karbon yakalayan zarları için. Rempe, bu zarın elbette ucuz kilden yapılmadığını ve başlangıçta fosil yakıt yakan elektrik santrallerinde veya diğer endüstriyel tesislerde çalışmak üzere tasarlandığını söyledi.
“Bunlar, aynı problem,” dedi.
Nano ölçeği nasıl simüle edilir?
Moleküler dinamik, nano ölçekte atomların ve moleküllerin hareketlerine ve etkileşimlerine bakan bir tür bilgisayar simülasyonudur. Bilim adamları bu etkileşimlere bakarak, suyla dolu kil nanogözenekler gibi belirli bir ortamda bir molekülün ne kadar kararlı olduğunu hesaplayabilirler.
“Moleküler simülasyon, etkileşimleri moleküler ölçekte incelemek için gerçekten güçlü bir araçtır. dedi Ho. “Karbondioksit, su ve kil arasında neler olup bittiğini tam olarak anlamamızı sağlıyor ve amaç, bu bilgiyi karbon yakalama uygulamaları için bir kil malzeme tasarlamak üzere kullanmak.”
Bu durumda, Ho tarafından yürütülen moleküler dinamik simülasyonları, karbon dioksitin ıslak kil nanoporlarında düz suya göre çok daha kararlı olabileceğini gösterdi, dedi Ho. Bunun nedeni, sudaki atomların elektronlarını eşit şekilde paylaşmaması ve bir ucunun biraz pozitif, diğer ucunun da biraz negatif yüklü olmasıdır. Öte yandan, karbon dioksitteki atomlar elektronlarını eşit şekilde paylaşırlar ve tıpkı suyla karıştırılmış yağ gibi, karbon dioksit kilin silikon-oksijen bölgeleri gibi benzer moleküllerin yakınında daha kararlıdır, dedi Rempe.
Profesör Cliff Johnston liderliğindeki Purdue Üniversitesi’nden ortak çalışanlar, yakın zamanda kil nanogözeneklerle sınırlı suyun normal sudan daha fazla karbondioksit emdiğini doğrulamak için deneyler kullandılar, dedi Ho.
Sandia doktora sonrası araştırmacısı Nabankur Dasgupta da bunu içeride buldu Ho, nanogözeneklerin yağ benzeri bölgelerinin, karbon dioksiti karbonik aside dönüştürmek için daha az enerji gerektirdiğini ve normal sudaki aynı dönüşüme kıyasla reaksiyonu daha uygun hale getirdiğini söyledi. Bu dönüşümü uygun hale getirerek ve daha az enerji gerektirerek, sonuçta kil nanogözeneklerinin yağ benzeri bölgeleri daha fazla karbondioksiti yakalamayı ve daha kolay depolamayı mümkün kılıyor, diye ekledi.
“Şimdiye kadar, bu bize kili anlatıyor Rempe, karbondioksiti yakalamak ve onu başka bir moleküle dönüştürmek için iyi bir malzemedir” dedi. “Bunun neden olduğunu anlıyoruz, böylece sentez uzmanları ve mühendisler yağ benzeri yüzey kimyasını geliştirmek için malzemeyi değiştirebilirler. Simülasyonlar ayrıca, karbondioksitin diğer değerli moleküllere dönüşümünün nasıl teşvik edileceğine ilişkin yeni hipotezlerin test edilmesi için deneylere rehberlik edebilir.”
Projenin sonraki adımları, moleküler dinamik simülasyonlarını ve deneylerini kullanarak Ho, nanopordan karbondioksitin nasıl geri alınacağını söyledi. Üç yıllık projenin sonunda, kil bazlı bir doğrudan hava karbon yakalama cihazı tasarlamayı planlıyorlar.
Referans: “Hidrofobik Nanoconfinement Enhances CO2 Conversion to H2CO3”, yazan Nabankur Dasgupta, Tuan A. Ho , Susan B. Rempe ve Yifeng Wang, 9 Şubat 2023, The Journal of Physical Chemistry Letters.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00124
Proje, Sandia’s tarafından finanse edilmektedir. Laboratuvar Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme programı. Araştırma, kısmen, Sandia ve Los Alamos ulusal laboratuvarları tarafından Enerji Bakanlığı için işletilen bir Office of Science kullanıcı tesisi olan Entegre Nanoteknolojiler Merkezi’nde gerçekleştirildi.