Een chemisch element dat zo visueel opvallend is dat het naar een godin is vernoemd, vertoont een reactiviteitsniveau van 'Goudlokje' (niet te veel en niet te weinig), waardoor het een sterke kandidaat is als koolstofwasmiddel.

Het element is vanadium, en onderzoek door wetenschappers van de Oregon State University, gepubliceerd in Chemical Science , heeft het vermogen aangetoond van vanadiumperoxidemoleculen om te reageren met koolstofdioxide en deze te binden – een belangrijke stap in de richting van verbeterde technologieën voor het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer.

Het onderzoek maakt deel uit van een federale inspanning van 24 miljoen dollar om nieuwe methoden te ontwikkelen voor directe luchtafvang (DAC) van kooldioxide, een broeikasgas dat wordt geproduceerd door de verbranding van fossiele brandstoffen en in verband wordt gebracht met klimaatverandering.

Over de hele wereld ontstaan ​​nu faciliteiten die koolstof uit de lucht filteren, maar ze staan ​​nog in de kinderschoenen. Technologieën voor het verminderen van kooldioxide op de plaats waar het in de atmosfeer terechtkomt, zoals bij energiecentrales, zijn beter ontwikkeld. Beide soorten koolstofafvang zullen waarschijnlijk nodig zijn als de aarde de ergste gevolgen van de klimaatverandering wil vermijden, zeggen wetenschappers.

In 2021 werd May Nyman uit Oregon State, de Terence Bradshaw scheikundeprofessor aan het College of Science, gekozen als leider van een van de negen directe luchtafvangprojecten die werden gefinancierd door het ministerie van Energie. Haar team onderzoekt hoe sommige overgangsmetaalcomplexen kunnen reageren met lucht om koolstofdioxide te verwijderen en om te zetten in een metaalcarbonaat, vergelijkbaar met wat wordt aangetroffen in veel natuurlijk voorkomende mineralen.

Overgangsmetalen bevinden zich nabij het midden van het periodiek systeem en hun naam komt voort uit de overgang van elektronen van lage energie naar hoge energietoestanden en weer terug, waardoor onderscheidende kleuren ontstaan. Voor dit onderzoek kwamen de wetenschappers uit op vanadium, genoemd naar Vanadis, de oud-Noorse naam voor de Scandinavische godin van de liefde, die naar verluidt zo mooi was dat haar tranen in goud veranderden.

Nyman legt uit dat koolstofdioxide in de atmosfeer aanwezig is met een dichtheid van 400 delen per miljoen. Dat betekent dat van elke miljoen luchtmoleculen er 400 koolstofdioxide zijn, oftewel 0,04%.

"Een uitdaging bij directe luchtvangst is het vinden van moleculen of materialen die selectief genoeg zijn, of andere reacties met meer overvloedige luchtmoleculen, zoals reacties met water, zullen de reactie met CO₂ overtreffen. ', zei Nyman. 'Ons team heeft een reeks moleculen gesynthetiseerd die drie delen bevatten die belangrijk zijn bij het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer, en ze werken samen.'

Eén deel was vanadium, zo genoemd vanwege de reeks prachtige kleuren die het kan vertonen, en een ander deel was peroxide, dat zich aan het vanadium hechtte. Omdat een vanadiumperoxidemolecuul negatief geladen is, had het alkalische kationen nodig voor de ladingsbalans, zei Nyman, en de onderzoekers gebruikten voor dit onderzoek kalium-, rubidium- en cesium-alkalikationen.

Ze voegde eraan toe dat de medewerkers ook probeerden vanadium te vervangen door andere metalen uit dezelfde buurt op het periodiek systeem.

"Wolfraam, niobium en tantaal waren niet zo effectief in deze chemische vorm", zei Nyman. "Aan de andere kant was molybdeen zo reactief dat het soms ontplofte."

Bovendien hebben de wetenschappers de alkaliën vervangen door ammonium en tetramethylammonium, waarvan de eerste licht zuur is. Die verbindingen reageerden helemaal niet, een raadsel dat de onderzoekers nog steeds proberen te begrijpen.

"En toen we het peroxide verwijderden, was er opnieuw niet zo veel reactiviteit", zei Nyman. "In deze zin is vanadiumperoxide een prachtige, paarse goudlokje dat goudkleurig wordt bij blootstelling aan lucht en een koolstofdioxidemolecuul bindt."

Ze merkt op dat een ander waardevol kenmerk van vanadium is dat het de relatief lage afgiftetemperatuur van ongeveer 200°C voor het opgevangen kooldioxide mogelijk maakt.

"Dat is vergeleken met bijna 700°C wanneer het gebonden is aan kalium, lithium of natrium, andere metalen die worden gebruikt voor het afvangen van koolstof," zei ze. "In staat zijn om de gevangen CO₂ opnieuw vrij te laten maakt hergebruik van de koolstofafvangmaterialen mogelijk, en hoe lager de temperatuur die daarvoor nodig is, hoe minder energie er nodig is en hoe lager de kosten. Er zijn al enkele zeer slimme ideeën over het hergebruik van afgevangen koolstof in de praktijk gebracht, bijvoorbeeld door de afgevangen CO₂ door te blazen. in een kas om planten te kweken."

Andere auteurs uit de staat Oregon die op dit artikel hebben geschreven, zijn onder meer Tim Zuehlsdorff, assistent-professor theoretische/fysische chemie, en postdoctoraal onderzoeker Eduard Garrido.

"Ik ben ook erg trots op het harde werk van de afgestudeerde studenten in mijn laboratorium, Zhiwei Mao en Karlie Bach, en de student Taylor Linsday", zei Nyman. "Dit is een geheel nieuw gebied voor mijn lab, maar ook voor Tim Zuehlsdorff, die promovendus Jacob Hirschi begeleidde bij de computationele studies om de reactiemechanismen te verklaren. Het starten van een nieuw studiegebied brengt veel onbekenden met zich mee."

Meer informatie: Eduard Garrido Ribó et al., Implementatie van vanadiumperoxiden als materialen voor directe koolstofafvang via de lucht, Chemische Wetenschap (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D

Aangeboden door Oregon State University