Zahvatanje ugljenika, ili izolacija i uklanjanje ugljen-dioksida iz atmosfere tokom industrijskih procesa kao što su mešanje cementa ili proizvodnja čelika, široko se smatra ključnom komponentom borbe protiv klimatskih promena. Postojeće tehnologije hvatanja ugljenika, kao što je čišćenje amina, teško je primeniti jer zahtevaju značajnu energiju za rad i uključuju korozivna jedinjenja.
Kao obećavajuću alternativu, istraživači sa Harvardske škole za inženjerstvo i primenjene nauke (SEAS) razvili su sisteme za hvatanje ugljenika koji koriste molekule zvane kinoni, rastvorene u vodi, kao svoja jedinjenja za hvatanje.
Studija hemijskog inženjerstva prirode pruža kritičan uvid u mehanizme hvatanja ugljenika u ovim sigurnijim, nežnijim elektrohemijskim sistemima na bazi vode, utirući put za njihovo dalje usavršavanje.
Predvođena bivšom postdoktorskom koleginicom sa Harvarda Kijanom Amini, sada docentom na Univerzitetu Britanske Kolumbije, studija opisuje detaljnu hemiju o tome kako funkcioniše sistem za hvatanje ugljenika posredovan sa kinonom, pokazujući međusobnu igru dve vrste elektrohemije koje doprinose performanse sistema.
Viši autor studije je Michael J. Aziz, profesor materijala i energetskih tehnologija Gene i Traci Sikes na SEAS-u. Azizova laboratorija je ranije izumela tehnologiju redoks baterije koja koristi sličnu hemiju kinona za skladištenje energije za komercijalne i mrežne aplikacije.
Kinoni su obilni, mali organski molekuli koji se nalaze i u sirovoj nafti i u rabarbari, koji mogu da konvertuju, zarobe i ispuste CO 2 iz atmosfere mnogo puta. Kroz laboratorijske eksperimente, tim sa Harvarda je znao da kinoni hvataju ugljenik na dva različita načina.
Ova dva procesa se dešavaju istovremeno, ali istraživači nisu bili sigurni u doprinos svakog od njih ukupnom hvatanju ugljenika – kao da je njihov eksperimentalni elektrohemijski uređaj crna kutija.
Ova studija otvara kutiju.
„Ako ozbiljno razmišljamo o razvoju ovog sistema kako bi bio najbolji što može biti, moramo da znamo mehanizme koji doprinose hvatanju i iznose… nikada nismo merili pojedinačni doprinos ovih mehanizama“, rekao je Amini.
Jedan od načina na koji rastvoreni hinoni zarobljavaju ugljenik je oblik direktnog hvatanja, u kome kinoni dobijaju električni naboj i podvrgavaju reakciji redukcije koja im daje afinitet prema CO 2 . Proces omogućava kinonima da se vežu za molekule CO 2, što rezultira hemijskim kompleksima koji se nazivaju adukti kinon-CO 2 .
Drugi način je oblik indirektnog hvatanja u kome se kinoni naelektrišu i troše protone, što povećava pH rastvora. Ovo omogućava da CO 2 reaguje sa sada alkalnim medijumom da bi se formirala bikarbonatna ili karbonatna jedinjenja.
Istraživači su osmislili dve eksperimentalne metode u realnom vremenu za kvantifikaciju svakog mehanizma. U prvom, koristili su referentne elektrode za merenje razlika u naponskim potpisima između kinona i rezultujućih adukta kinon-CO2.
U drugom, koristili su fluorescentnu mikroskopiju da razlikuju oksidovane, redukovane i aduktne hemikalije i kvantifikovali njihove koncentracije u veoma brzim vremenskim rezolucijama. Ovo je bilo moguće jer su otkrili da jedinjenja uključena u hvatanje ugljenika posredovano kinonom imaju jedinstvene fluorescentne potpise.
„Ove metode nam omogućavaju da merimo doprinose svakog mehanizma tokom rada“, rekao je Amini. „Na taj način možemo dizajnirati sisteme koji su prilagođeni specifičnim mehanizmima i hemijskim vrstama.“
Istraživanje unapređuje razumevanje sistema za hvatanje ugljenika na bazi kinona u vodi i obezbeđuje alate za prilagođavanje dizajna različitim industrijskim primenama. Iako izazovi ostaju, kao što je osetljivost na kiseonik koja može ometati performanse, ovi nalazi otvaraju nove puteve za istraživanje.
