פריצת דרך לכידת פחמן: החומר החדש של קיימברידג' לספיגה ישירה של CO2 באוויר

חוקרי קיימברידג' פיתחו טכנולוגיית לכידת פחמן באנרגיה נמוכה באמצעות פחם פעיל טעון, המסוגלת לספוג CO2 ישירות מהאוויר בצורה יעילה יותר משיטות קונבנציונליות.

חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' התאימו טכניקת טעינת סוללות כדי להמריץ פחם פעיל, המשמש בדרך כלל במסנני מים ביתיים.

החוקרים גילו שעל ידי טעינת 'ספוג' הפחם ביונים היוצרים קשרים הפיכים עם CO2, החומר הטעון יכול ללכוד בהצלחה CO2 ישירות מהאוויר.

השוואת טכניקות ללכידת CO2

ספוג הפחם הטעון הוא גם פוטנציאלי יעיל יותר באנרגיה מגישות לכידת הפחמן הנוכחיות, מכיוון שהוא דורש טמפרטורות נמוכות בהרבה כדי להסיר את ה-CO2 שנלכד כדי שניתן יהיה לאחסן אותו. התוצאות מדווחות בכתב העת טֶבַע.

"לכידת פליטת פחמן מהאטמוספרה היא מוצא אחרון, אבל בהתחשב בהיקף של מצב החירום האקלימי, זה משהו שאנחנו צריכים לחקור", אמר ד"ר אלכסנדר פורסה מהמחלקה לכימיה של יוסוף חמיד, שהוביל את המחקר. "הדבר הראשון והדחוף ביותר שעלינו לעשות הוא לצמצם את פליטת הפחמן ברחבי העולם, אבל גם פינוי גזי חממה נחשב הכרחי כדי להשיג אפס פליטות נטו ולהגביל את ההשפעות הקשות ביותר של שינויי האקלים. באופן מציאותי, אנחנו צריכים לעשות כל מה שאנחנו יכולים".

לכידת אוויר ישירה, המשתמשת בחומרים דמויי ספוג כדי להסיר פחמן דו חמצני מהאטמוספרה, היא אחת הגישה הפוטנציאלית ללכידת פחמן, אך הגישות הנוכחיות הן יקרות, דורשות טמפרטורות גבוהות ושימוש בגז טבעי, וחסרות יציבות.

"נעשתה עבודה מבטיחה על שימוש בחומרים נקבוביים ללכידת פחמן מהאטמוספרה", אמר פורסה. "רצינו לראות אם פחם פעיל עשוי להיות אופציה, מכיוון שהוא זול, יציב ומיוצר בקנה מידה".

תפקידו של פחם פעיל

פחם פעיל משמש ביישומי טיהור רבים, כגון מסנני מים, אך בדרך כלל הוא אינו יכול ללכוד ולהחזיק CO2 מהאוויר. Forse ועמיתיו הציעו שאם ניתן להטעין פחם פעיל, כמו סוללה, הוא יכול להיות חומר מתאים ללכידת פחמן.

בעת טעינת סוללה, מוחדרים יונים טעונים לאחת האלקטרודות של הסוללה. החוקרים שיערו כי טעינת פחם פעיל בתרכובות כימיות הנקראות הידרוקסידים תהפוך אותו למתאים ללכידת פחמן, שכן הידרוקסידים יוצרים קשרים הפיכים עם CO2.

הצוות השתמש בתהליך טעינה דמוי סוללה כדי להטעין בד פחם פעיל זול עם יוני הידרוקסיד. בתהליך זה, הבד פועל בעצם כמו אלקטרודה בסוללה, ויוני הידרוקסיד מצטברים בנקבוביות הזעירות של הפחם. בתום תהליך הטעינה, הפחם מוסר מה"סוללה", שוטף ומייבש.

תוצאות מבטיחות וכיוונים עתידיים

בדיקות של ספוג הפחם הטעון הראו שהוא יכול ללכוד בהצלחה CO2 ישירות מהאוויר, הודות למנגנון ההתקשרות של ההידרוקסידים.

"זו דרך חדשה לייצר חומרים, תוך שימוש בתהליך דמוי סוללה", אמר פורסה. "ושיעורי לכידת CO2 כבר דומים לחומרים קיימים. אבל מה שמבטיח אפילו יותר הוא ששיטה זו יכולה להיות הרבה פחות אינטנסיבית באנרגיה, מכיוון שאיננו דורשים טמפרטורות גבוהות כדי לאסוף את ה-CO2 ולחדש את ספוג הפחם".

דרישות אנרגיה נמוכות יותר להתחדשות חומרים

כדי לאסוף את ה-CO2 מהפחם כדי שניתן יהיה לטהר אותו ולאחסן אותו, החומר מחומם כדי להפוך את קשרי הידרוקסיד-CO2. ברוב החומרים המשמשים כיום ללכידת CO2 מהאוויר, החומרים צריכים להיות מחוממים לטמפרטורות גבוהות של 900 מעלות צלזיוס, לרוב באמצעות גז טבעי. עם זאת, ספוגי הפחם הטעונים שפותחו על ידי צוות קיימברידג' דורשים רק חימום ל-90-100 מעלות צלזיוס, טמפרטורות שניתן להשיג באמצעות חשמל מתחדש. החומרים מחוממים באמצעות חימום התנגדות, אשר בעצם מחמם אותם מבפנים החוצה, מה שהופך את התהליך למהיר יותר ופחות אנרגיה.

עם זאת, לחומרים יש מגבלות שעליהן עובדים כעת החוקרים. "אנחנו עובדים כעת כדי להגדיל את כמות הפחמן הדו-חמצני שניתן ללכוד, ובמיוחד בתנאי לחות שבהם הביצועים שלנו יורדים", אמר פורסה.

חידושים ויישומים עתידיים

החוקרים אומרים שהגישה שלהם יכולה להיות שימושית בתחומים מעבר ללכידת פחמן, מכיוון שניתן לכוונן את הנקבוביות בפחם ואת היונים המוכנסים לתוכם כדי ללכוד מגוון של מולקולות.

"הגישה הזו הייתה סוג של רעיון מטורף שהמצאנו במהלך הנעילה של קוביד-19, אז זה תמיד מרגש כשהרעיונות האלה באמת עובדים", אמר פורסה. "גישה זו פותחת דלת לייצור כל מיני חומרים ליישומים שונים, בצורה פשוטה וחסכונית באנרגיה."

הוגש פטנט והמחקר ממוסחר בתמיכת קיימברידג' אנטרפרייז, זרוע המסחור של האוניברסיטה.

המחקר נתמך בחלקו על ידי ה-Leverhulme Trust, החברה המלכותית, המועצה לחקר מדעי ההנדסה והפיזיקה (EPSRC), חלק ממחקר וחדשנות בבריטניה (UKRI), והמרכז לתיקון אקלים בקיימברידג'.