Как мы можем удалить углекислый газ, являющийся парниковым газом, из выхлопных газов электростанций, работающих на ископаемом топливе, до того, как он попадет в атмосферу? Новые результаты показывают, что многообещающий ответ заключается в простом, экономичном и потенциально многоразовом материале, проанализированном в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), где ученые из нескольких институтов определили, почему этот материал работает так хорошо, как он есть.

Объектом исследования команды является формиат алюминия, одно из веществ класса, называемых металлорганическими каркасами (MOF). Как группа, MOF продемонстрировали большой потенциал для фильтрации и отделения органических материалов — часто различных углеводородов в ископаемом топливе — друг от друга. Некоторые МОФ показали себя многообещающими при переработке природного газа или разделении октановых компонентов бензина; другие могут способствовать снижению затрат на производство пластмасс или дешевой переработке одного вещества в другое. Их способность выполнять такое разделение обусловлена их пористой природой.

Формиат алюминия, который ученые называют ALF, обладает способностью отделять углекислый газ (CO2) от других газов, которые обычно вылетают из дымовых труб угольных электростанций. В нем также отсутствуют недостатки, присущие другим предлагаемым материалам для углеродной фильтрации, сказал Хейден Эванс из NIST, один из ведущих авторов исследовательской работы команды, опубликованной сегодня в рецензируемом журнале Science Advances.

"Что делает эту работу захватывающей, так это то, что ALF действительно хорошо работает по сравнению с другими высокоэффективными адсорбентами CO2, но он конкурирует с дизайнерскими соединениями по своей простоте, общей стабильности и легкости приготовления", - сказал Эванс, химик из Центра нейтронных исследований NIST (NCNR). "Он сделан из двух веществ, которые легко и в изобилии можно найти, поэтому создание достаточного количества ALF для широкого использования должно быть возможным при очень низких затратах".

В исследовательскую группу входят ученые из Национального университета Сингапура; Сингапурского агентства по науке, технологиям и исследованиям; Университета Делавэра; и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

На угольные электростанции приходится примерно 30% глобальных выбросов CO2. Даже сейчас, когда мир осваивает другие источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, которые не генерируют парниковые газы, поиск способа снизить выбросы углерода существующими установками может помочь смягчить их последствия, пока они остаются в эксплуатации.

Очистка CO2 от дымовых газов до того, как они попадут в атмосферу, в первую очередь является логичным подходом, но создание эффективного скруббера оказалось сложной задачей. Смесь газов, которая поступает в дымовые трубы угольных электростанций, как правило, довольно горячая, влажная и коррозийная - характеристики, которые затрудняют поиск экономичного материала, способного эффективно выполнять эту работу. Некоторые другие MOF работают хорошо, но сделаны из дорогих материалов; другие менее дорогостоящие сами по себе, но работают адекватно только в сухих условиях, требуя "стадии сушки", которая снижает влажность газа, но повышает общую стоимость процесса очистки.

"Соберите все это вместе, вам нужен какой-нибудь чудо-материал", - сказал Эванс. "Здесь нам удалось отметить все графы, кроме стабильности в очень влажных условиях. Однако использование ALF было бы достаточно недорогим, чтобы стадия сушки стала жизнеспособным вариантом".

ALF производится из гидроксида алюминия и муравьиной кислоты, двух химических веществ, которые в изобилии и легко доступны на рынке. По словам Эванса, это будет стоить менее доллара за килограмм, что в 100 раз дешевле, чем у других материалов с аналогичными характеристиками. Низкая стоимость важна, поскольку для улавливания углерода на одной установке может потребоваться до десятков тысяч тонн фильтрующего материала. Сумма, необходимая для всего мира, была бы огромной.

В микроскопическом масштабе ALF напоминает трехмерную проволочную клетку с бесчисленными маленькими отверстиями. Эти отверстия достаточно велики, чтобы позволить молекулам CO2 проникать внутрь и задерживаться, но достаточно малы, чтобы исключить немного более крупные молекулы азота, которые составляют большую часть дымовых газов. Работа по дифракции нейтронов в NCNR показала команде, как отдельные ячейки в материале собираются и заполняются CO2, показывая, что молекулы газа помещаются внутри определенных ячеек в ALF, как рука в перчатке, сказал Эванс.

Несмотря на свой потенциал, ALF не готов к немедленному использованию. Инженерам необходимо было бы разработать процедуру для создания ALF в больших масштабах. Для установки, работающей на угле, также потребуется совместимый процесс снижения влажности дымовых газов перед их очисткой. Эванс сказал, что уже многое понятно о том, как решать эти проблемы, и что они не сделают стоимость использования ALF непомерно высокой.

По его словам, что делать с CO2 после этого - тоже важный вопрос, хотя это проблема для всех материалов, улавливающих углерод. Ведутся исследования по превращению его в муравьиную кислоту, которая является не только природным органическим веществом, но и одним из двух компонентов ALF. Идея здесь заключается в том, что ALF может стать частью циклического процесса, в котором ALF удаляет CO2 из потоков выхлопных газов, и что захваченный CO2 используется для получения большего количества муравьиной кислоты. Эта муравьиная кислота затем будет использоваться для получения большего количества ALF, что еще больше снизит общее воздействие и стоимость цикла обработки материала.

"В настоящее время проводится большое количество исследований проблемы того, что делать со всем захваченным CO2", - сказал Эванс. "Кажется возможным, что в конечном итоге мы могли бы использовать солнечную энергию для отделения водорода от воды, а затем объединить этот водород с CO2, чтобы получить больше муравьиной кислоты. В сочетании с ALF это решение, которое помогло бы планете".