Η έρευνα για το βανάδιο αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στη σύλληψη άνθρακα από τον αέρα

By | February 13, 2024

Αυτό το άρθρο έχει ελεγχθεί σύμφωνα με τη διαδικασία σύνταξης και τις πολιτικές του Science X. Οι συντάκτες έχουν δώσει έμφαση στα ακόλουθα χαρακτηριστικά διασφαλίζοντας παράλληλα την αξιοπιστία του περιεχομένου:

επαληθευμένα γεγονότα

αξιόπιστη πηγή

ξαναδιάβασε


Vanadium, ένα από τα CO2 αποτυπώνοντας υλικά, εμφανίζοντας ένα λαμπρό σκούρο μοβ χρώμα. Πιστώσεις: May Nyman, καθηγήτρια χημείας, OSU College of Science

× Κλείσε


Vanadium, ένα από τα CO2 αποτυπώνοντας υλικά, εμφανίζοντας ένα λαμπρό σκούρο μοβ χρώμα. Πιστώσεις: May Nyman, καθηγήτρια χημείας, OSU College of Science

Ένα χημικό στοιχείο τόσο εντυπωσιακό οπτικά που πήρε το όνομά του από μια θεά που παρουσιάζει ένα επίπεδο αντιδραστικότητας “Goldilocks” -ούτε πολύ, ούτε πολύ λίγο- που το καθιστά ισχυρό υποψήφιο ως εργαλείο δέσμευσης άνθρακα.

Το στοιχείο είναι το βανάδιο και έρευνα επιστημόνων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, που δημοσιεύτηκε στο Χημική επιστήμηαπέδειξε την ικανότητα των μορίων του υπεροξειδίου του βαναδίου να αντιδρούν και να δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα, ένα σημαντικό βήμα προς βελτιωμένες τεχνολογίες για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα.

Η μελέτη είναι μέρος μιας ομοσπονδιακής προσπάθειας 24 εκατομμυρίων δολαρίων για την ανάπτυξη νέων μεθόδων για την άμεση σύλληψη του διοξειδίου του άνθρακα, ένα αέριο θερμοκηπίου που παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων και σχετίζεται με την κλιματική αλλαγή.

Εγκαταστάσεις που φιλτράρουν τον άνθρακα από τον αέρα έχουν αρχίσει να εμφανίζονται σε όλο τον κόσμο, αλλά βρίσκονται ακόμη σε σπάργανα. Οι τεχνολογίες για τον μετριασμό του διοξειδίου του άνθρακα στο σημείο εισόδου στην ατμόσφαιρα, όπως στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, είναι πιο ανεπτυγμένες. Και οι δύο τύποι δέσμευσης άνθρακα πιθανότατα θα είναι απαραίτητοι εάν η Γη θέλει να αποφύγει τις χειρότερες συνέπειες της κλιματικής αλλαγής, λένε οι επιστήμονες.

Το 2021, ο May Nyman του Όρεγκον, ο καθηγητής Χημείας Terence Bradshaw στο Κολέγιο Επιστημών, επιλέχθηκε ως επικεφαλής ενός από τα εννέα έργα άμεσης σύλληψης αέρα που χρηματοδοτήθηκαν από το Υπουργείο Ενέργειας. Η ομάδα του μελετά πώς ορισμένα σύμπλοκα μετάλλων μετάπτωσης μπορούν να αντιδράσουν με τον αέρα για να αφαιρέσουν το διοξείδιο του άνθρακα και να το μετατρέψουν σε ανθρακικό μέταλλο, παρόμοιο με αυτό που βρίσκεται σε πολλά φυσικά ορυκτά.

Τα μέταλλα μεταπτώσεως βρίσκονται κοντά στο κέντρο του περιοδικού πίνακα και το όνομά τους προέρχεται από τη μετάβαση των ηλεκτρονίων από καταστάσεις χαμηλής ενέργειας σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας και αντίστροφα, δημιουργώντας διακριτικά χρώματα. Για αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες προσγειώθηκαν σε βανάδιο, που πήρε το όνομά του από τον Βανάδη, το αρχαίο Σκανδιναβικό όνομα για τη Σκανδιναβική θεά του έρωτα, που θεωρήθηκε τόσο όμορφο που τα δάκρυά της έγιναν χρυσάφι.

Ο Nyman εξηγεί ότι το διοξείδιο του άνθρακα υπάρχει στην ατμόσφαιρα με πυκνότητα 400 μέρη ανά εκατομμύριο. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε 1 εκατομμύριο μόρια αέρα, 400 από αυτά είναι διοξείδιο του άνθρακα, ή 0,04%.

«Μια πρόκληση με την άμεση σύλληψη του αέρα είναι η εύρεση επαρκώς επιλεκτικών μορίων ή υλικών, διαφορετικά άλλες αντιδράσεις με πιο άφθονα μόρια αέρα, όπως οι αντιδράσεις με το νερό, θα υπερισχύσουν της αντίδρασης με το CO.2“, είπε ο Nyman. “Η ομάδα μας έχει συνθέσει μια σειρά από μόρια που περιέχουν τρία σημαντικά μέρη για την απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, και συνεργάζονται.”

Κάποια από αυτά ήταν βανάδιο, που ονομάστηκε έτσι λόγω της ποικιλίας των όμορφων χρωμάτων που μπορεί να παρουσιάσει, και μερικά από αυτά ήταν υπεροξείδιο, το οποίο δέθηκε με το βανάδιο. Επειδή ένα μόριο υπεροξειδίου του βαναδίου είναι αρνητικά φορτισμένο, χρειάζεται κατιόντα αλκαλίων για να εξισορροπήσει τα φορτία, είπε ο Nyman, και οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αλκαλικά κατιόντα καλίου, ρουβιδίου και καισίου για αυτή τη μελέτη.

Πρόσθεσε ότι οι συνεργάτες προσπάθησαν επίσης να αντικαταστήσουν το βανάδιο με άλλα μέταλλα στην ίδια περιοχή στον περιοδικό πίνακα.

«Το βολφράμιο, το νιόβιο και το ταντάλιο δεν ήταν τόσο αποτελεσματικά σε αυτή τη χημική μορφή», είπε ο Nyman. «Από την άλλη πλευρά, το μολυβδαίνιο ήταν τόσο αντιδραστικό που μερικές φορές εξερράγη».

Επιπλέον, οι επιστήμονες αντικατέστησαν τα αλκάλια με αμμώνιο και τετραμεθυλαμμώνιο, με το πρώτο να είναι ελαφρώς όξινο. Αυτές οι ενώσεις δεν αντέδρασαν καθόλου, ένα παζλ που οι ερευνητές προσπαθούν ακόμα να κατανοήσουν.

“Και όταν αφαιρέσαμε το υπεροξείδιο, πάλι, δεν υπήρχε μεγάλη αντιδραστικότητα”, είπε ο Nyman. «Με αυτή την έννοια, το υπεροξείδιο του βαναδίου είναι ένα όμορφο μωβ χρυσαφί που γίνεται χρυσός όταν εκτίθεται στον αέρα και δεσμεύει ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα».

Σημειώνει ότι ένα άλλο ελκυστικό χαρακτηριστικό του βαναδίου είναι ότι επιτρέπει μια σχετικά χαμηλή θερμοκρασία απελευθέρωσης περίπου 200°C για το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα.

“Αυτό συγκρίνεται με σχεδόν 700°C όταν συνδέεται με κάλιο, λίθιο ή νάτριο, άλλα μέταλλα που χρησιμοποιούνται για τη δέσμευση άνθρακα”, είπε. «Το να είναι σε θέση να απελευθερώσει ξανά το συλληφθεί CO2 επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση υλικών δέσμευσης άνθρακα και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία που απαιτείται για αυτό, τόσο λιγότερη ενέργεια απαιτείται και τόσο χαμηλότερο είναι το κόστος. Ορισμένες πολύ έξυπνες ιδέες σχετικά με την επαναχρησιμοποίηση του δεσμευμένου άνθρακα εφαρμόζονται ήδη, για παράδειγμα με τη δρομολόγηση του δεσμευμένου CO μέσω αγωγών.2 σε θερμοκήπιο για την καλλιέργεια φυτών.

Άλλοι συγγραφείς της Πολιτείας του Όρεγκον που αναφέρονται στην εργασία ήταν ο Tim Zuehlsdorff, επίκουρος καθηγητής θεωρητικής/φυσικής χημείας και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Eduard Garrido.

«Είμαι επίσης πολύ περήφανος για τη σκληρή δουλειά των μεταπτυχιακών φοιτητών στο εργαστήριό μου, Zhiwei Mao και Karlie Bach, καθώς και του Taylor Linsday», είπε ο Nyman. “Αυτός είναι ένας εντελώς νέος τομέας για το εργαστήριό μου, καθώς και για τον Tim Zuehlsdorff, ο οποίος επέβλεπε τον διδακτορικό φοιτητή Jacob Hirschi σε υπολογιστικές μελέτες που στοχεύουν στην εξήγηση των μηχανισμών αντίδρασης. Η έναρξη μιας νέας περιοχής μελέτης περιλαμβάνει πολλά άγνωστα.”

Περισσότερες πληροφορίες:
Eduard Garrido Ribó et al, Εφαρμογή υπεροξειδίων βαναδίου ως υλικά για την άμεση δέσμευση του άνθρακα στον αέρα, Χημική επιστήμη (2023). DOI: 10.1039/D3SC05381D

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *