_ Găsirea unei noi chimie pentru a captura dublu carbon

Găsirea modalităților de captare, stocare și utilizare a dioxidului de carbon (CO2) rămâne o problemă globală urgentă. Pe măsură ce temperaturile continuă să crească, împiedicarea pătrunderii CO2 în atmosferă poate contribui la limitarea încălzirii acolo unde sunt încă necesari combustibili pe bază de carbon.

Au fost înregistrate progrese semnificative în crearea unor tehnologii practice de captare a carbonului la prețuri accesibile. Lichidele care captează carbonul, denumite solvenți atunci când sunt prezenți din abundență, pot capta eficient moleculele de CO2 din centralele electrice pe cărbune, fabricile de hârtie și alte surse de emisie. Cu toate acestea, toate acestea funcționează prin aceeași chimie fundamentală, sau așa au presupus cercetătorii.

În noua lucrare publicată în Nature Chemistry, oamenii de știință au fost surprinși să descopere că un solvent familiar este chiar mai promițător decât se anticipase inițial. Noile detalii despre structura de bază a solventului sugerează că lichidul ar putea reține de două ori mai mult CO2 decât se credea anterior. Noua structură dezvăluită ar putea deține, de asemenea, cheia pentru crearea unei suită de materiale pe bază de carbon care ar putea ajuta la menținerea și mai multor CO2 din atmosferă.

Echipa Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a dezvoltat solventul mai multe cu ani în urmă și l-a studiat într-o varietate de scenarii. Echipa a lucrat pentru a reduce costurile de utilizare a solventului și a crește eficiența acestuia. Anul trecut, au dezvăluit cel mai puțin costisitor sistem de captare a carbonului până în prezent. În timpul acestei cercetări, echipa a observat ceva ciudat.

„Încercam să facem un alt tip de separare a gazelor de înaltă presiune”, a spus David Heldebrant, chimist PNNL și coautor corespondent. „Am văzut că soluția a devenit semnificativ mai groasă și a apărut un nou vârf în spectrele noastre, ceea ce indică faptul că s-a format ceva nou. A fost total neașteptat și am știut că trebuie să ajungem la fundul acesteia.”

Heldebrant a contactat colaboratorii săi de la Universitatea Claude Bernard Lyon 1 și de la Universitatea Texas din El Paso pentru a ajuta la dezlegarea modificărilor moleculare din spatele rezultatelor.

„Această lucrare este un efort cu adevărat interdisciplinar și de colaborare”, a spus Jose Leobardo Bañuelos, profesor la Universitatea din Texas din El Paso. „Întrebările pe care trebuia să le punem necesită mai mult decât un singur tip de expertiză. Ne-am uitat la structura generală a solventului atunci când a fost expus la CO2 și am văzut mult mai multă ordine decât ne-am așteptat.”

Moleculele, aceasta păreau, s-au grupat atunci când ar trebui să fie asociate. Dar ce au însemnat noile structuri ordonate?

Când echipa a aruncat o privire nouă asupra sistemului solvent-CO2 folosind instrumente de chimie analitică, au detectat grupuri auto-asamblate de molecule de solvent. La început, cercetătorii au încercat să adapteze datele la un model folosind doar două molecule de solvent. În ciuda așteptărilor lor inițiale, datele pur și simplu nu s-au potrivit.

Când cercetătorii au folosit un model cu patru molecule de solvent, rezultatele au căzut la locul lor. Un grup de patru componente era de fapt forma solventului pe care echipa îl vedea. Structura flexibilă poate suferi o serie de schimbări pentru a găzdui moleculele de CO2 care intră. CO2 ajunge în cele din urmă la miezul clusterului, acasă la un buzunar de site activ care poate fi similar cu cele care există în interiorul enzimelor. De fapt, structura generală a clusterului și interacțiunile par să semene cu proteinele.

Buzunarul de legare a site-ului activ este în centrul chimiei nou observate. De obicei, sistemele de captare a carbonului funcționează cu o singură moleculă de CO2 care se leagă și poate reacționa pentru a forma ceva diferit. Constrângerea totul la reacții care implică un CO2 limitează următorii pași de conversie a carbonului. Clusterul permite ceva diferit.

Vârful neașteptat pe care echipa l-a găsit inițial corespunde formării unei noi specii care include două molecule diferite de CO2. Clusterele încorporează CO2 treptat, mai întâi captând și activând o moleculă, urmată de a doua. Datele arată un efect de cooperare – a avea o moleculă de CO2 legată modifică modul în care se leagă a doua moleculă.

„Suntem foarte încântați de noile posibilități de proiectare a solvenților pe care aceasta le deschide”, a spus Heldebrant. „Dacă putem găsi modalități de a construi în mod intenționat cooperarea care îmbunătățește legarea CO2, am putea schimba modul în care funcționează sistemele de captare a carbonului.”

Odată ce ambele molecule de CO2 sunt în interiorul clusterului, ele pot reacționa una cu cealaltă, creând diferite molecule pe bază de carbon care ar putea extinde utilizările potențiale ale CO2 captat.

„Ceea ce facem aici este să schimbăm o variabilă majoră a procesului”, a spus Heldebrant. „În trecut, am captat fiecare CO2 pe cont propriu. Legarea a două CO2 împreună ne-ar putea ajuta să dublăm efectiv capacitatea de stocare a sistemelor noastre de captare.”

Noile molecule conectate au proprietăți foarte diferite de CO2. Acest lucru modifică chimia necesară pentru a separa carbonul capturat de solvent. Aceste molecule pe bază de CO2 sunt mai mari și reprezintă un prim pas către crearea de polimeri bogați în CO2.

O problemă persistentă cu carbonul capturat este ce să faci cu acesta. Deși stocarea pe termen lung a CO2 este o opțiune, aceasta prezintă provocări logistice și poate adăuga costuri unui proces de captare deja costisitor. Găsirea unor modalități de a converti CO2 captat în produse valoroase din punct de vedere economic ar putea ajuta la compensarea costurilor de captare și ar putea oferi un pas către un ciclu închis al carbonului.

Prin unirea a două molecule de CO2 împreună în timpul etapei inițiale de captare, această lucrare prezintă o nouă modalitate. pentru a aborda conversia și utilizarea carbonului. În loc să înceapă cu CO2, cercetătorii ar putea avea diferite opțiuni pentru a crea noi substanțe chimice. Acest lucru deschide uși către diferite tipuri de chimie considerate anterior nerealiste pentru conversia CO2. Acești potențiali pași următori sunt posibili doar prin concentrarea asupra științei fundamentale din spatele captării carbonului.

„Există atât de multă urgență în implementarea sistemelor de captare a carbonului”, a spus Julien Leclaire, profesor la Universitatea Claude Bernard Lyon 1 și co-autor corespondent al lucrării. „Nu explorăm întotdeauna detaliile la scară moleculară ale acestor procese din cauza complexității lor. Dar uneori putem găsi perspective care leagă comportamentul molecular și la scară mare.”

Pe lângă Heldebrant, cercetătorii PNNL includ Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo și Jaelynne King. Pe lângă Leclaire, cercetătorii Universității Claude Bernard Lyon 1 includ Jean Septavaux și Marc Hennenbelle.

(Fluierul)