Karbondioksiti yakalayın ve verimli bir şekilde enerjiye dönüştürün

Tek bir elektrokimyasal sürece dayanan bu sonuçlar, çelik ve çimento gibi karbondan arındırılması zor endüstrilerden kaynaklanan emisyonların azaltılmasına yardımcı olabilir.

Dünya çapındaki küresel sera gazı emisyonlarını azaltma çabaları kapsamında bilim insanları Massachusetts Teknoloji Enstitüsü En zorlu endüstriyel emisyonları karbondan arındırmak için karbon yakalama teknolojilerine odaklanıyorlar.

Çelik, çimento ve kimyasal imalat gibi endüstrileri, süreçlerinde karbon ve fosil yakıtların doğasında kullanılması nedeniyle karbondan arındırmak özellikle zordur. Karbon emisyonlarını yakalayacak ve bunları üretim sürecinde yeniden kullanacak teknolojiler geliştirilebilirse, bu, “azaltılması zor” sektörlerden kaynaklanan emisyonlarda önemli bir azalmaya yol açabilir.

Bununla birlikte, karbondioksiti yakalayan ve dönüştüren mevcut deneysel teknolojiler bunu iki ayrı süreç olarak gerçekleştiriyor ve bu süreçlerin de çalışması çok büyük miktarda enerji gerektiriyor. MIT ekibi, iki süreci, konsantre endüstriyel kaynaklardan karbondioksiti yakalamak ve dönüştürmek için yenilenebilir enerjiyle çalışabilen tek bir entegre, enerji açısından daha verimli sistemde birleştirmeyi hedefliyor.

Karbon yakalama ve dönüşümüne ilişkin son bulgular

5 Eylül’de dergide yayınlanan bir çalışmada ACS kataliziAraştırmacılar, karbondioksitin tek bir elektrokimyasal işlemle nasıl yakalanıp dönüştürüldüğüne dair gizli işlevi ortaya koyuyor. İşlem, emici malzeme tarafından salınan karbondioksiti yakalamak ve onu yeniden kullanılabilir seyreltilmiş bir forma dönüştürmek için bir elektrot kullanılmasını içerir.

Diğerleri de benzer gösteriler bildirdi ancak elektrokimyasal reaksiyonu yönlendiren mekanizmalar belirsiz kaldı. MIT ekibi bu dürtüyü belirlemek için kapsamlı deneyler yaptı ve sonuçta bunun kısmi karbondioksit basıncından kaynaklandığını buldu. Başka bir deyişle, elektrotla temas eden CO2 ne kadar safsa, elektrot molekülü o kadar verimli bir şekilde yakalar ve dönüştürür.

Bu ana veya “aktif” motorun ne olduğunu öğrenin. Sınıflandırmak“, bilim adamlarının entegre bir süreçte karbondioksiti verimli bir şekilde yakalamak ve dönüştürmek için benzer elektrokimyasal sistemlerde ince ayar yapmasına ve optimize etmesine yardımcı olabilir.

Çalışma sonuçları, bu elektrokimyasal sistemlerin oldukça seyreltik ortamlar için (örneğin, doğrudan havadan karbon emisyonlarını yakalamak ve dönüştürmek için) uygun olmasa da, endüstriyel işlemler tarafından üretilen yüksek konsantrasyonlu emisyonlar için çok uygun olacağını göstermektedir. Özellikle yenilenebilir enerjiye net bir alternatifi olmayanlar.

MIT 1922 sınıfı kariyer gelişimi bölümünde doçent olan çalışma yazarı Petar Galant, “Elektrik üretmek için yenilenebilir enerji kaynaklarına geçebiliriz ve geçmeliyiz” diyor. “Çimento veya çelik üretimi gibi karbondan derinlemesine arındıran endüstriler zorlu ve zaman alacak.” Daha uzun: “Tüm enerji santrallerimizden kurtulsak bile, onları tamamen karbondan arındırmadan önce kısa vadede diğer endüstrilerden kaynaklanan emisyonlarla başa çıkmak için bazı çözümlere ihtiyacımız var. Burası, bu sisteme benzer bir şeyin çalışabileceği tatlı bir nokta gördüğümüz yer.

MIT’deki çalışmanın ortak yazarları baş yazar ve doktora sonrası araştırmacı Graham Leverick ve yüksek lisans öğrencisi Elizabeth Bernhardt’ın yanı sıra Malezya Sunway Üniversitesi’nden Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman ve Mohd Khairuddin Arua’dır.

Karbon yakalama sürecini anlama

Karbon yakalama teknolojileri, enerji santralleri ve üretim tesislerinin bacalarından çıkan emisyonları veya “baca gazını” yakalamak için tasarlanmıştır. Bu, emisyonları bir “yakalama” çözeltisiyle (karbon dioksitle kimyasal olarak bağlanan ve diğerlerinden ayrılabilen stabil bir form oluşturan aminler veya amonyak bazlı bileşiklerden oluşan bir karışım) doldurulmuş odalara yönlendirmek için büyük uyarlamalar kullanılarak yapılır. Baca gazından.

Daha sonra, yakalanan karbondioksitin amino bağından serbest bırakılması için genellikle fosil yakıt buharı formunda yüksek sıcaklıklar uygulanır. Saf haliyle gaz daha sonra depolama tanklarına veya yeraltına pompalanabilir, mineralize edilebilir veya kimyasallara veya yakıta dönüştürülebilir.

Gallant, “Kimyanın yaklaşık 100 yıldır bilindiği gibi, karbon yakalama olgun bir teknolojidir, ancak gerçekten büyük tesisler gerektirir ve çalıştırılması çok pahalı ve enerji yoğundur” diye belirtiyor. “İstediğimiz şey daha esnek ve esnek olan ve daha çeşitli karbondioksit kaynaklarına uyarlanabilen teknolojiler. Elektrokimyasal sistemler bu sorunu çözmeye yardımcı olabilir.”

MIT’deki grubu, yakalanan karbondioksiti geri kazanıp onu azaltılmış, kullanılabilir bir ürüne dönüştüren bir elektrokimyasal sistem geliştiriyor. Böyle bir entegre sistemin, ayrık yerine, fosil yakıtlardan elde edilen buhar yerine tamamen yenilenebilir elektrikle çalıştırılabileceğini söylüyor.

Konseptleri, karbon yakalama çözümleri için mevcut odalara yerleştirilebilecek bir elektrot etrafında yoğunlaşıyor. Elektrota voltaj uygulandığında elektronlar karbondioksitin reaktif formuna akar ve onu sudan sağlanan protonları kullanarak bir ürüne dönüştürür. Bu, aynı şeyi yapmak için buhar kullanmak yerine emicinin daha fazla karbondioksit bağlamasını sağlar.

Gallant daha önce bu elektrokimyasal sürecin karbondioksiti yakalayıp gaza dönüştürebildiğini göstermişti. Katı karbonat formu.

“Bu elektrokimyasal sürecin çok erken konseptlerde mümkün olduğunu gösterdik” diyor. “O zamandan bu yana, bu sürecin yararlı kimyasallar ve yakıtlar üretmek için kullanılmasına odaklanan başka çalışmalar da yapıldı. Ancak bu reaksiyonların nasıl çalıştığına dair tutarsız açıklamalar vardı.”

Solo CO2’nin Rolü

Yeni çalışmada MIT ekibi, elektrokimyasal süreci yönlendiren spesifik reaksiyonları ortaya çıkarmak için başlığın altına bir büyüteç koydu. Laboratuvarda, baca gazından karbon dioksiti çıkarmak için kullanılan endüstriyel yakalama çözümlerine benzeyen amino çözeltileri ürettiler. Her çözeltinin pH, konsantrasyon ve amin türü gibi farklı özelliklerini sistematik olarak değiştirdiler ve ardından her çözeltiyi, elektroliz çalışmalarında yaygın olarak kullanılan ve karbondioksiti verimli bir şekilde karbona dönüştürme yeteneğiyle bilinen bir metal olan gümüşten yapılmış bir elektrottan geçirdiler. . Monoksit. Daha sonra reaksiyonun sonunda dönüştürülen karbon monoksit konsantrasyonunu ölçtüler ve bu sayıyı test ettikleri diğer tüm çözeltilerle karşılaştırarak hangi parametrenin üretilen karbon monoksit miktarı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu gördüler.

Sonunda, çoğu kişinin beklediği gibi, en önemli şeyin başlangıçta karbondioksiti hapsetmek için kullanılan aminin türü olmadığını buldular. Bunun yerine, aminlere bağlanmayı önleyen ancak yine de çözeltide mevcut olan tek, serbest CO2 moleküllerinin konsantrasyonuydu. “Tek karbon dioksit” sonuçta üretilen karbon monoksit konsantrasyonunu belirler.

Leverick, “Amin tarafından yakalanan karbondioksitle reaksiyona girmektense tek karbon dioksitle reaksiyona girmenin daha kolay olduğunu bulduk” diyor. “Bu, gelecekteki araştırmacılara, yüksek karbondioksit konsantrasyonlarının verimli bir şekilde yakalanıp yararlı kimyasallara ve yakıtlara dönüştürülebilmesi nedeniyle bu sürecin endüstriyel akışlar için mümkün olabileceğini söylüyor.”

Gallant, “Bu bir çıkarma tekniği değil ve bunu belirtmek önemli” diye vurguluyor. “Getirdiği değer, ilgili emisyonları azaltmak için mevcut endüstriyel süreçleri korurken CO2’yi birden çok kez geri dönüştürmemize olanak sağlamasıdır. Sonuçta hayalim, CO2’nin mineralizasyonunu ve kalıcı olarak depolanmasını kolaylaştırmak için elektrokimyasal sistemlerin kullanılabilmesidir; bu gerçek bir gerçektir. kaldırma teknolojisi.” Bu uzun vadeli bir vizyon ve anlamaya başladığımız bilimin çoğu, bu süreçleri tasarlamaya yönelik ilk adımdır.

Referans: “Amin aracılı karbondioksitte aktif türlerin tespiti₂ “Ag’de CO2’ye Azaltma”, Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa ve Petar M. Gallant*, 5 Eylül 2023, ACS katalizi.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Bu araştırma Malezya Sunway Üniversitesi tarafından desteklenmektedir.