חוקרים עשו התקדמות משמעותית ביישום המעשי של חומר חדש המכונה MOF-525, חבר במשפחת המסגרות המתכת-אורגניות, אשר מראה הבטחה רבה בטכנולוגיות לכידה והמרה של פחמן. הצוות פיתח תהליך ייצור ניתן להרחבה תוך שימוש בטכניקות גזירה של תמיסה המאפשרת ליישם את MOF-525 בשטחים גדולים, ובכך לשפר את יעילותו בלכידה והמרת פחמן דו חמצני לכימיקלים בעלי ערך מסחרי. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים מאוניברסיטת וירג'יניה פיתחו שיטה ניתנת להרחבה לייצור MOF-525, חומר שיכול ללכוד ולהמיר ביעילות פחמן דו חמצני לכימיקלים שימושיים. פריצת דרך זו מציעה פתרון מעשי ליישומים בקנה מידה גדול בלכידת פחמן והמרת פחמן, ומציגה יתרונות סביבתיים ואנרגיה משמעותיים.
מדענים הבינו איך לקחת חומר פלא, כזה שמסוגל להפיק ערך מפחמן דו חמצני שנלכד, ולעשות מה שאין לאף אחד אחר: להפוך אותו למעשי לייצור ליישום בקנה מידה גדול. חוקרים מבית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת וירג'יניה ערכו את המחקר, שפורסם ב ACS Applied Materials & ממשקים.
לפריצת הדרך של עוזר פרופסור להנדסה כימית, גורב "ג'ינו" גירי, יש השלכות על ניקוי גז החממה, תורם מרכזי לדילמת שינויי האקלים. זה גם יכול לעזור לפתור את צורכי האנרגיה של העולם.
הכוח של MOF-525
החומר, הנקרא MOF-525, נמצא בקבוצת חומרים הנקראים מסגרות מתכת-אורגניות.
"אם אתה יכול לעשות את אלה MOFs מכסים שטחים גדולים, ואז יישומים חדשים מתאפשרים, כמו יצירת ממברנה ללכידת פחמן והמרה אלקטרוקטליטית הכל במערכת אחת", אמר גירי.
המרה אלקטרוקטליטית יוצרת גשר ממקורות אנרגיה מתחדשים לסינתזה כימית ישירה, ומוציאה מהמשוואה את שריפת הדלקים המאובנים המייצרים פחמן דו חמצני.
עוזר פרופסור להנדסה כימית גורב גירי. קרדיט: טום קוגיל
פתרונות לכידת פחמן מתקדמים
מה שנותן ל-MOF כוחות-על הוא המבנים הגבישיים האולטרה-נקבוביים שלהם – רשתות תלת-ממד של דקות ננומטרי חללים שיוצרים שטח פנים עצום ומתנהגים כמו ספוג – שניתן לתכנן כדי ללכוד כל מיני תרכובות כימיות.
הקבוצה של גירי טענה שהתחלה עם טכניקת סינתזה ניתנת להרחבה – גזירת פתרונות – תשפר את הסיכויים שלהם. הם כבר הצליחו לגזור MOFs פשוטים יותר.
בתהליך של גירי מערבבים את מרכיבי ה-MOF בתמיסה, ולאחר מכן מורחים על פני מצע עם להב הגזירה. כאשר התמיסה מתאדה, קישורים כימיים יוצרים את ה-MOF כסרט דק על המצע. יישום MOF-525 בדרך זו מייצר ממברנה הכל באחד ללכידת פחמן ולהמרה.
הגדלה להשפעה רבה יותר
"ככל שהממברנה גדולה יותר, כך יש לך יותר שטח פנים לתגובה, וכך תוכל להשיג יותר מוצר", אמר פרינס ורמה, דוקטור לדצמבר 2023. בוגר המעבדה של גירי. "עם התהליך הזה, אתה יכול להגדיל את רוחב להב הגזירה לכל גודל שאתה צריך."
הצוות התמקד בהמרת CO2 כדי להדגים את גישת גזירת הפתרון שלהם מכיוון שלכידת פחמן נמצא בשימוש נרחב להפחתת פליטות תעשייתיות או לסילוקו מהאטמוספרה – אך במחיר למפעילים עם החזר מינימלי על ההשקעה: לפחמן דו-חמצני יש ערך מסחרי מועט ורוב לרוב מאוחסן מתחת לאדמה ללא הגבלת זמן.
עם זאת, עם הזנת אנרגיה מינימלית, שימוש בחשמל כדי לזרז תגובה, MOF-525 יכול לקחת ממנו חמצן אָטוֹם לייצר פחמן חד חמצני – כימיקל בעל ערך לייצור דלקים, תרופות ומוצרים אחרים.
המחויבות של UVA לאנרגיה ירוקה
תהליך האצת התגובות באמצעות קטליזה, במיוחד אלקטרוקטליזה, שצורכת פחות אנרגיה מתגובות המונעות על ידי חום או לחץ, חיוני לעתיד של אנרגיה ירוקה – עד כדי כך ש-UVA השקיעה 60 מיליון דולר במחקר קטליזה כחלק מההשקעות הגדולות של UVA. .
עבור המומחיות הזו, גירי שיתף פעולה עם פרופסור חבר לכימיה של UVA, צ'רלס וו. מאצ'ן.
"החומרים מהמעבדה של ג'ינו עוזרים לנו להבין כיצד לאפשר טכנולוגיות חדשות וניתנות להרחבה ללכידה והמרה, שנצטרך להתמודד עם האתגרים הסביבתיים שמציבים ריכוזי הפחמן הדו-חמצני הנוכחיים באטמוספירה וקצב הפליטות", אמר מאצ'ן. .
החוקרים פרסמו את ממצאיהם בכתב העת האמריקאי לכימיה חומרים יישומיים וממשקים.
כמו כן תרמו לעבודה קונור א. קולנר, היילי הול, מייגן ר. פיסטר, קווין ה. סטון, אסא וו. ניקולס, אנקיט דאקל וארל אשקראפט.
המחקר נתמך על ידי המכון הסביבתי של UVA; משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, משרד מדעי האנרגיה הבסיסיים, תוכנית מדעי הקטליזה; המתקן לאפיון חומרים ננומטרי ב-UVA; ומקור האור של קרינת סינכרוטרון סטנפורד, מעבדת האצה הלאומית של SLAC.
