В углу лаборатории Келси Хэтцелл стоит небольшая банка, наполненная материалом, способность которого выходит далеко за рамки того, что можно предположить по его невзрачному внешнему виду: способ улавливать и выделять углекислый газ из атмосферы путем простого изменения окружающей влажности.

Этот материал может сократить затраты на энергию , связанные с так называемыми системами прямого улавливания воздуха, которые традиционно полагаются на энергоемкие изменения температуры или давления для переключения между улавливанием и выбросом углерода . Вместо этого, полагаясь на влажность, материал может повысить энергоэффективность более чем в пять раз по сравнению с нынешними технологиями. Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Environmental Science & Technology Letters .

Системы прямого улавливания воздуха были объявлены способом борьбы с изменением климата путем извлечения углекислого газа из воздуха для постоянного хранения под землей или преобразования в полезный продукт.

«Произошел взрывной интерес к системам прямого улавливания воздуха, потому что это не просто способ сократить выбросы углекислого газа , но и фактически удалить их из атмосферы», — сказал руководитель исследования Хатцелл, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и Андлингера, указывая на недавние усилия Министерства энергетики США на сумму 3,5 миллиарда долларов по созданию четырех региональных центров прямого улавливания воздуха по всей стране.

Несмотря на свои обещания, прямое улавливание воздуха оказалось под пристальным вниманием, поскольку для его работы требуется больше энергии, чем практически любое другое применение улавливания углерода. Это связано с тем, что концентрация углекислого газа в окружающем воздухе чрезвычайно низка, особенно по сравнению с отходящими газами из точечных источников выбросов, таких как угольная электростанция.

Одним из наиболее энергоемких этапов процесса является регенерация. После улавливания углекислого газа из окружающего воздуха обычным системам требуется изменение тепла и/или давления для высвобождения газа в хранилище, чтобы система могла подготовиться к улавливанию большего количества углерода. В одном подходе с использованием жидкого растворителя стадия регенерации требует нагревания углеродоулавливающего материала до температур в диапазоне от 300°С до 900°С.

Напротив, предыдущие исследования показали, что регенерация материалов, улавливающих углерод, с помощью влаги требует только добавления или удаления водяного пара . Такой подход резко сокращает энергию, необходимую для удаления тонны углекислого газа, с 4,1 гигаджоуля при использовании традиционных методов до всего лишь 0,7 гигаджоуля — экономия энергии на тонну больше, чем энергия, используемая средней американской семьей в месяц.

Чтобы реализовать подход, основанный на влажности, команда Принстона модифицировала существующий тип ионообменной смолы — материала, который может обмениваться заряженными частицами с окружающей средой. Эти смолы уже используются в различных коммерческих целях, что делает их широко доступными и недорогими.

Более того, поверхности этих смол усеяны бесчисленными крошечными порами диаметром всего 6 нанометров. Внутри этих полостей происходит процесс улавливания углерода. При низкой влажности в порах происходит ряд химических реакций, позволяющих им улавливать углекислый газ из потока поступающего воздуха. При высокой влажности происходит обратное: материал высвобождает связанный углерод и готовится к следующему раунду улавливания.

«Мы можем просто изменить количество водяного пара в системе, чтобы регенерировать весь материал», — сказал первый автор Ягуан Чжу, постдокторант из Центра энергетики и окружающей среды Андлингера. «Таким образом, мы можем минимизировать энергию, которую мы вкладываем в этот процесс».

Исследователи изучили способы контроля и модификации материалов на наноуровне, чтобы обеспечить более эффективное улавливание углерода при колебаниях влаги. Они обнаружили, что загрузка пор высокоосновными отрицательно заряженными ионами, такими как фосфат и карбонат, обеспечивает самую высокую способность улавливания углерода.

Команда также исследовала физическую структуру ионообменной смолы, чтобы определить будущие стратегии проектирования улавливания углерода на основе влажности. Например, они обнаружили, что, хотя крошечные поры важны для определения общего количества углекислого газа , которое может быть уловлено, они мало влияют на фактическую скорость улавливания. Как мощность, так и скорость улавливания являются важными факторами при проектировании и расширении производства для удовлетворения будущих потребностей в сокращении выбросов.

Вместо этого материалы, имеющие более крупные поры в дополнение к крошечным, могут захватывать и выделять углерод с гораздо большей скоростью, поскольку более крупные поры быстро переносят воду в материал и из него.

«Крошечные микропоры шириной всего несколько нанометров очень важны для обратимой реакции захвата углерода», — сказал Чжу. «Но мы обнаружили, что более крупные поры более важны для транспортировки воды и, таким образом, оказывают сильное влияние на скорость улавливания углерода».

Исследователи продолжают изучать фундаментальную науку, лежащую в основе способности материала захватывать и высвобождать в ответ на колебания влажности, но они отмечают, что низкие затраты энергии на эту технологию в сочетании с недорогими материалами делают ее многообещающим кандидатом для будущего расширения.

В случае масштабирования подход к регенерации на основе влажности также может предоставить интересные возможности для использования колебаний влажности, которые естественным образом возникают в окружающей среде, для дальнейшего сокращения затрат на электроэнергию. Соавтор Остин Бут, аспирант химической и биологической инженерии, сказал, что места, которые регулярно колеблются между сухими и влажными условиями, могут быть идеальными для этого типа технологии.

«Можно представить, что в месте с ежедневным циклическим изменением влажности вы теоретически можете управлять этим процессом практически без затрат внешней энергии», — сказал Бут.

И хотя возможности этой технологии по улавливанию углерода естественным образом позволяют использовать ее для применения в прямом улавливании воздуха, Хатцелл сказала, что лежащие в ее основе научные данные могут оказать влияние на ряд приложений, в том числе на хранение энергии — одну из ключевых областей исследований ее группы .

«Фундаментальная наука может быть применима к ряду различных проблем разделения в химической промышленности», — сказал Хатцелл. «В конечном итоге работа направлена ​​на настройку химического состава материала для уменьшения энергии, необходимой для данного процесса, и такая информация имеет очень широкую привлекательность».