Enkele van de dunste materialen die de mensheid kent, kunnen wetenschappers oplossingen bieden in hun zoektocht om de gevolgen van de opwarming van de aarde tegen te gaan.

Deze stoffen staan ​​bekend als MXene- en MBene-verbindingen en zijn slechts een paar atomen dik, waardoor ze tweedimensionaal zijn. Vanwege hun grote oppervlak hebben de materialen het potentieel om kooldioxidemoleculen uit de atmosfeer te absorberen, wat de schadelijke effecten van klimaatverandering zou kunnen helpen verminderen door kooldioxide veilig vast te leggen.

In een artikel gepubliceerd op 4 oktober in het tijdschrift Chem UC Riverside-professor Mihri Ozkan en haar co-auteurs leggen het potentieel uit van MXenen en MBenen in technologieën voor koolstofafvang.

"In deze review hebben we een uitgebreide analyse uitgevoerd en strategieën voorgesteld voor de wijdverbreide implementatie van deze materialen in grootschalige toepassingen", zegt Mihri Ozkan, hoogleraar klimaatactie bij de afdeling Electrical and Computer Engineering van UCR aan het Bourns College of Engineering. "Hun unieke eigenschappen maken ze uitstekende kandidaten voor het afvangen van kooldioxide."

Volgens Ozkan kunnen deze tweedimensionale materialen zo worden ontworpen dat ze selectief koolstofdioxide opvangen. Een van hun belangrijkste voordelen is hun hoge selectiviteit ten opzichte van koolstofdioxide, wat kan worden toegeschreven aan een proces dat interlayer distance engineering wordt genoemd. Bovendien zijn de materialen mechanisch stabiel en behouden ze hun structurele integriteit, zelfs na meerdere cycli van koolstofafvang en -uitstoot.

Nu de door de mens veroorzaakte uitstoot van kooldioxide blijft toenemen, is de ontwikkeling van technologieën voor koolstofafvang een topprioriteit geworden. Verwacht wordt dat de temperatuur op aarde in de komende tien jaar met 1,5°C boven het pre-industriële niveau zou kunnen stijgen, wat zou leiden tot frequentere ernstige weersomstandigheden, verergerende droogte, mislukte oogsten, toegenomen menselijke migratie en politieke instabiliteit. Deze negatieve gevolgen onderstrepen de dringende noodzaak van actie om de CO2-uitstoot terug te dringen en de gevolgen van de klimaatverandering te verzachten.

Wetenschappers van de Drexel Universiteit in Philadelphia, Pennsylvania, ontdekten begin 2010 MXenes en MBenes. MXene is een anorganische verbinding die bestaat uit atomair dunne lagen overgangsmetaalcarbiden, nitriden of carbonitriden. Aan de andere kant zijn MBenes dimensionale overgangsmetaalboriden gemaakt van boor. Deze verbindingen worden geproduceerd door middel van chemische etstechnieken en hebben kristallijne roosters met zich herhalende orthorhombische en hexagonale structuren.

Ozkan legde uit dat deze materialen gebruikt kunnen worden in combinatie met bestaande technologieën, zoals die ontwikkeld door het Zwitserse bedrijf Climework AS. Deze systemen halen kooldioxide rechtstreeks uit de atmosfeer en slaan het op voor veilige en langdurige opslag.

Voordat deze verbindingen kunnen worden gebruikt in apparaten voor het afvangen van koolstof, moeten er volgens Ozkan verschillende technische problemen worden opgelost. Eerst en vooral moeten wetenschappers de knelpunten aanpakken die gepaard gaan met synthesegerelateerde uitdagingen bij de productie van grote volumes. Andere obstakels voor grootschalige productie zijn onder meer niet-uniforme menging, temperatuurgradiënten en problemen met warmteoverdracht.

Toch kunnen deze hindernissen overwonnen worden.

Een top-down benadering is ideaal voor grootschalige MXeen-synthese door het opschalen van natte etsmethoden of het ontwikkelen van nieuwe methoden, aldus Ozkan.

De co-auteurs van het artikel zijn Kathrine A.M. Quiros, Jordyn M. Watkins, Talyah M. Nelson, Navindra D. Singh, Mahbub Chowdhury, Thrayesh Namboodiri, Kamal R. Talluri en Emma Yuan.

Meer informatie: Mihrimah Ozkan et al, Het terugdringen van de vervuilende CO2 door gebruik te maken van tweedimensionale MXenen en MBenen, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.09.001

Journaalinformatie: Chem

Aangeboden door Universiteit van Californië - Riverside