Bij het verbranden van fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas komt koolstof in de atmosfeer vrij als CO2, terwijl de productie van methanol en andere waardevolle brandstoffen en chemicaliën een toevoer van koolstof vereist. Er is momenteel geen economische of energie-efficiënte manier om CO2 uit de atmosfeer op te vangen en te gebruiken voor de productie van op koolstof gebaseerde chemicaliën, maar onderzoekers van de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering hebben zojuist een belangrijke stap in die richting gezet.

Het team werkte met een klasse nanomaterialen die metaal-organische raamwerken of "MOF's, " die kan worden gebruikt om koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen en te combineren met waterstofatomen om het om te zetten in waardevolle chemicaliën en brandstoffen. Karl Johnson, de William Kepler Whiteford Professor aan de Swanson School's Department of Chemical and Petroleum Engineering, leidde de onderzoeksgroep als hoofdonderzoeker.

"Ons uiteindelijke doel is om een ​​energiezuinige, goedkope MOF die kooldioxide kan scheiden van een mengsel van gassen en het kan voorbereiden om te reageren met waterstof, " zegt Dr. Johnson. "We hebben een MOF gevonden die de CO2-moleculen enigszins kan buigen, ze in een toestand brengen waarin ze gemakkelijker met waterstof reageren."

De Johnson Research Group publiceerde hun bevindingen in het tijdschrift Royal Society of Chemistry (RSC). Katalyse Wetenschap &Technologie (DOI:10.1039/c8cy01018h). Het tijdschrift toonde hun werk op de omslag, ter illustratie van het proces van kooldioxide- en waterstofmoleculen die de MOF binnenkomen en eruit gaan als CH2O2 of mierenzuur - een chemische voorloper van methanol. Om dit proces te laten plaatsvinden, de moleculen moeten een veeleisende energiedrempel overwinnen die de hydrogeneringsbarrière wordt genoemd.

Dr. Johnson legt uit, "De hydrogeneringsbarrière is de energie die nodig is om twee H-atomen toe te voegen aan CO2, die de moleculen omzet in mierenzuur. Met andere woorden, het is de energie die nodig is om de H-atomen en de CO2-moleculen bij elkaar te krijgen, zodat ze de nieuwe verbinding kunnen vormen. In ons vorige werk hebben we H2 kunnen activeren door twee H-atomen te splitsen, maar we hebben tot nu toe geen CO2 kunnen activeren."

De sleutel tot het verminderen van de hydrogeneringsbarrière was het identificeren van een MOF die koolstofdioxide vooraf kan activeren. Pre-activering is in feite het voorbereiden van de moleculen op de chemische reactie door ze in de juiste geometrie te plaatsen, de juiste positie, of de juiste elektronische staat. De MOF die ze in hun werk hebben gemodelleerd, bereikt pre-activering van CO2 door het in een licht gebogen geometrie te plaatsen die de binnenkomende waterstofatomen met een lagere barrière kan accepteren.

Een ander belangrijk kenmerk van deze nieuwe MOF is dat het selectief reageert met waterstofmoleculen boven koolstofdioxide, zodat de actieve sites niet worden geblokkeerd door CO2. "We hebben een MOF ontworpen met beperkte ruimte rond zijn bindingsplaatsen, zodat er niet voldoende ruimte is om CO2 te binden maar er is nog genoeg ruimte om H2 te binden, omdat het zo veel kleiner is. Ons ontwerp zorgt ervoor dat de CO2 niet bindt aan de MOF, maar in plaats daarvan vrij is om te reageren met de H-moleculen die zich al in het raamwerk bevinden, " zegt dr. Johnson.

Dr. Johnson gelooft dat het perfectioneren van één enkel materiaal dat zowel CO2 kan opvangen als omzetten, economisch haalbaar zou zijn en de netto hoeveelheid CO2 in de atmosfeer zou verminderen. "Je zou CO2 kunnen opvangen uit rookgas bij elektriciteitscentrales of rechtstreeks uit de atmosfeer, " zegt hij. "Dit onderzoek vernauwt onze zoektocht naar een zeer zeldzaam materiaal met de mogelijkheid om een ​​hypothetische technologie om te zetten in een echt voordeel voor de wereld."