Met behulp van een goedkoop polymeer genaamd melamine - het belangrijkste bestanddeel van Formica - hebben scheikundigen een goedkope, gemakkelijke en energiezuinige manier gecreëerd om kooldioxide uit schoorstenen af ​​te vangen, een belangrijk doel voor de Verenigde Staten en andere landen bij het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen .

Het proces voor het synthetiseren van het melaminemateriaal, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances , zou mogelijk kunnen worden verkleind om emissies van uitlaatgassen van voertuigen of andere beweegbare bronnen van kooldioxide op te vangen. Kooldioxide uit de verbranding van fossiele brandstoffen maakt ongeveer 75% uit van alle broeikasgassen die in de VS worden geproduceerd.

Het nieuwe materiaal is eenvoudig te maken en vereist voornamelijk kant-en-klaar melaminepoeder - dat tegenwoordig ongeveer $ 40 per ton kost - samen met formaldehyde en cyanuurzuur, een chemische stof die onder andere met chloor aan zwembaden wordt toegevoegd.

"We wilden nadenken over een koolstofafvangmateriaal dat was afgeleid van bronnen die echt goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen waren. En dus besloten we te beginnen met melamine", zegt Jeffrey Reimer, hoogleraar aan de Graduate School in de afdeling Chemie en Biomolecular Engineering aan de University of California, Berkeley, en een van de corresponderende auteurs van het artikel.

Het zogenaamde melamine-poreuze netwerk vangt koolstofdioxide op met een efficiëntie die vergelijkbaar is met vroege resultaten voor een ander relatief recent materiaal voor koolstofafvang, metaalorganische raamwerken of MOF's. De chemici van UC Berkeley hebben in 2015 de eerste dergelijke COF-afvang-MOF gemaakt en latere versies zijn nog efficiënter gebleken in het verwijderen van kooldioxide uit rookgassen, zoals die van een kolengestookte elektriciteitscentrale.

Maar Haiyan Mao, een postdoctoraal onderzoeker van UC Berkeley die de eerste auteur van het artikel is, zei dat op melamine gebaseerde materialen veel goedkopere ingrediënten gebruiken, gemakkelijker te maken zijn en energiezuiniger zijn dan de meeste MOF's. Door de lage kosten van poreuze melamine kan het materiaal breed worden ingezet.

"In deze studie hebben we ons gericht op goedkoper materiaalontwerp voor afvang en opslag en het ophelderen van het interactiemechanisme tussen CO₂ en het materiaal," zei Mao. "Dit werk creëert een algemene industrialisatiemethode voor duurzame CO₂ vastleggen met behulp van poreuze netwerken. We hopen dat we in de toekomst een hulpstuk kunnen ontwerpen voor het opvangen van uitlaatgassen van auto's, of misschien een hulpstuk voor een gebouw of zelfs een coating op het oppervlak van meubels."

Het werk is een samenwerking tussen een groep aan UC Berkeley onder leiding van Reimer; een groep aan de Stanford University onder leiding van Yi Cui, die directeur is van het Precourt Institute for Energy, de Somorjai Visiting Miller Professor aan UC Berkeley, en een voormalig postdoctoraal onderzoeker van UC Berkeley; UC Berkeley Professor van de Graduate School Alexander Pines; en een groep aan de Texas A&M University onder leiding van Hong-Cai Zhou. Jing Tang, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en het Stanford Linear Accelerator Center en een gastwetenschapper aan UC Berkeley, is co-eerste auteur met Mao.

Koolstofneutraliteit in 2050

Hoewel het elimineren van het verbranden van fossiele brandstoffen essentieel is om de klimaatverandering een halt toe te roepen, is een belangrijke tussentijdse strategie om de uitstoot van kooldioxide, het belangrijkste broeikasgas, op te vangen en het gas ondergronds op te slaan of CO₂ om te zetten in CO₂ tot bruikbare producten. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft al projecten aangekondigd voor een totaalbedrag van $ 3,18 miljard om geavanceerde en commercieel schaalbare technologieën voor koolstofafvang, -gebruik en -vastlegging (CCUS) te stimuleren om een ​​ambitieus rookgas CO₂ te bereiken vangefficiëntiedoelstelling van 90%. Het uiteindelijke doel van de VS is netto nul CO2-uitstoot tegen 2050.

Maar het afvangen van koolstof is verre van commercieel levensvatbaar. De beste techniek van tegenwoordig is het door buizen leiden van rookgassen door vloeibare aminen, die CO₂ . binden . Maar dit vereist grote hoeveelheden energie om de kooldioxide vrij te maken als het eenmaal aan de amines is gebonden, zodat het kan worden geconcentreerd en ondergronds kan worden opgeslagen. Het aminemengsel moet worden verwarmd tot tussen 120 en 150 graden Celsius (250-300 graden Fahrenheit) om de CO₂ te regenereren .

Daarentegen vangt het melamine poreuze netwerk met DETA en cyanuurzuurmodificatie CO₂ op bij ongeveer 40 graden Celsius, iets boven kamertemperatuur, en geeft het af bij 80 graden Celsius, onder het kookpunt van water. De energiebesparing komt doordat de stof niet tot hoge temperaturen hoeft te worden verwarmd.

In zijn onderzoek richtte het team van Berkeley/Stanford/Texas zich op het gewone polymeer melamine, dat niet alleen in Formica wordt gebruikt, maar ook in goedkoop servies en keukengerei, industriële coatings en andere kunststoffen. Door melaminepoeder te behandelen met formaldehyde - wat de onderzoekers in kilogrammen deden - ontstaan ​​poriën op nanoschaal in de melamine waarvan de onderzoekers dachten dat ze CO₂ zouden absorberen .

Mao zei dat tests bevestigden dat met formaldehyde behandelde melamine CO₂ . adsorbeerde enigszins, maar de adsorptie zou veel verbeterd kunnen worden door een andere aminebevattende chemische stof, DETA (diethyleentriamine), toe te voegen om CO₂ te binden . Zij en haar collega's ontdekten vervolgens dat het toevoegen van cyanuurzuur tijdens de polymerisatiereactie de poriegrootte dramatisch deed toenemen en CO₂ radicaal verbeterde. afvangefficiëntie:bijna alle koolstofdioxide in een gesimuleerd rookgasmengsel werd binnen ongeveer 3 minuten geabsorbeerd.

Door de toevoeging van cyanuurzuur kon het materiaal ook steeds opnieuw worden gebruikt.

Mao en haar collega's voerden onderzoeken naar kernmagnetische resonantie (NMR) uit in vaste toestand om te begrijpen hoe cyanuurzuur en DETA op elkaar inwerkten om koolstofafvang zo efficiënt te maken. De onderzoeken toonden aan dat cyanuurzuur sterke waterstofbindingen vormt met het melaminenetwerk dat helpt DETA te stabiliseren en te voorkomen dat het uit de melamineporiën uitloogt tijdens herhaalde cycli van koolstofopvang en regeneratie.

"Wat Haiyan en haar collega's met deze elegante technieken hebben kunnen laten zien, is precies hoe deze groepen zich vermengen, precies hoe CO₂ met hen reageert, en dat in de aanwezigheid van dit porieopenende cyanuurzuur, ze in staat is om CO₂ te circuleren vaak aan en uit met een capaciteit die echt heel goed is, "zei Reimer. "En de snelheid waarmee CO₂ adsorbeert eigenlijk vrij snel, in vergelijking met sommige andere materialen. Dus alle praktische aspecten op laboratoriumschaal van dit materiaal voor CO₂ het vastleggen is bereikt, en het is gewoon ongelooflijk goedkoop en gemakkelijk te maken."

"Gebruikmakend van solid-state nucleaire magnetische resonantietechnieken, hebben we systematisch het mechanisme van de reactie van de amorfe netwerken met CO₂ opgehelderd in ongekende details op atomair niveau. "Voor de energie- en milieugemeenschap creëert dit werk een krachtige, solid-state netwerkfamilie samen met een grondig begrip van de mechanismen, maar stimuleert ook de evolutie van onderzoek naar poreuze materialen door vallen en opstaan methoden voor rationele, stapsgewijze modulatie op atomair niveau."

De Reimer- en Cui-groepen blijven de poriegrootte en aminegroepen aanpassen om de koolstofvangstefficiëntie van melamine-poreuze netwerken te verbeteren, terwijl de energie-efficiëntie behouden blijft. Dit omvat het gebruik van een techniek genaamd dynamische combinatorische chemie om de verhoudingen van ingrediënten te variëren om effectieve, schaalbare, recyclebare en hoge capaciteit CO₂ te bereiken. vastleggen.

Reimer en Mao hebben ook nauw samengewerkt met de Cui-groep in Stanford om andere soorten materialen te synthetiseren, waaronder hiërarchische nanoporeuze membranen - een klasse nanocomposieten gecombineerd met een koolstofbol en grafeenoxide - en hiërarchische nanoporeuze koolstoffen gemaakt van dennenhout, om koolstof te adsorberen dioxide. Reimer ontwikkelde NMR in vaste toestand specifiek om het mechanisme te karakteriseren waarmee vaste materialen interageren met koolstofdioxide, om betere materialen te ontwerpen voor koolstofafvang uit de omgeving en energieopslag. Cui ontwikkelde een robuust en duurzaam solid-state platform en fabricagetechnieken voor het creëren van nieuwe materialen om klimaatverandering en energieopslag aan te pakken. + Verder verkennen

Koolstofafvang neemt sponsachtige vorm aan met nieuwe kosteneffectieve methode