Дослідники створили метод з низьким вмістом свинцю для перетворення CO₂ у тверді оксалати металів.
Дослідники з Мічиганського університету зробили свій внесок у розробку методу, який перетворює вуглекислий газ, промисловий відхід, що сприяє забрудненню атмосфери, на цінний матеріал: прекурсори для цементу. Хімік з Мічиганського університету Чарльз Маккрорі та його дослідницька група у співпраці з лабораторією Хесуса Веласкеса з Каліфорнійського університету в Девісі та лабораторією Анастасії Александрової з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі створили процес, який захоплює вуглекислий газ і перетворює його на оксалати металів. Ці сполуки потім можуть служити ключовими інгредієнтами у виробництві цементу.
«Це дослідження показує, як ми можемо взяти вуглекислий газ, який, як усім відомо, є відходом, що має незначну або нульову цінність, і переробити його на щось цінне», — сказав Маккрорі, доцент кафедри хімії та макромолекулярної науки та інженерії. «Ми не просто беремо вуглекислий газ і закопуємо його; ми беремо його з різних точкових джерел і перепрофілюємо на щось корисне».
Дослідження було стимульовано участю Маккрорі в Центрі замикання вуглецевого циклу. 4C – це дослідницький центр енергетичних рубежів, що фінансується Міністерством енергетики США, Управлінням науки, фундаментальних енергетичних наук, і очолює його Дженні Ян з Каліфорнійського університету в Ірвайні. Однією з цілей 4C є дослідження методів уловлювання та перетворення вуглекислого газу на цінні види палива та продукти.
Чистіша альтернатива традиційному цементу
Найпоширенішим типом цементу є портландцемент, який зазвичай виготовляється з вапняку та мінералів, таких як силікати кальцію. Виробництво цього портландцементу має відносно великі енергетичні витрати та вуглецевий слід, сказав Маккрорі. Маккрорі та його колеги шукали способи перетворення вуглекислого газу на матеріали, які можна використовувати для виробництва альтернативних цементів.
Одним із типів матеріалів, які можна використовувати як альтернативний попередник цементу, є оксалати металів, прості солі. Дослідникам відомо, що свинець можна використовувати як каталізатор — речовину, яка сприяє хімічній реакції, — яка може перетворювати вуглекислий газ на оксалати металів. Але цей процес вимагає великої кількості свинцевих каталізаторів, що становить небезпеку для навколишнього середовища та здоров’я людини.
Команда 4C змогла використовувати полімери для контролю середовища, що безпосередньо оточує свинцеві каталізатори, зменшивши кількість свинцю, необхідного в цьому процесі, до частин на мільярд — слідового рівня домішки свинцю, який міститься в багатьох комерційних пористих графітових та вуглецевих матеріалах.
МакКрорі спеціалізується на контролі мікросередовища — хімічного середовища та координаційного середовища — навколо ділянок каталізатора. Контролюючи мікросередовище, МакКрорі може налаштовувати активність каталізатора. Дослідники показали, що, контролюючи мікросередовище навколо свинцевого каталізатора в хімічній реакції, яка перетворює вуглекислий газ на оксалат, вони можуть значно зменшити кількість свинцю, необхідного для процесу.
Процес електрохімічного перетворення
Для отримання оксалату з вуглекислого газу дослідники використовують набір електродів. На одному електроді вуглекислий газ перетворюється на оксалат, який є іоном, розчиненим у розчині. Інший електрод — це металевий електрод, який окислюється та вивільняє іони металу, що зв’язуються з іоном оксалату та осаджують його з розчину у вигляді твердої речовини оксалату металу.
«Ці іони металів з’єднуються з оксалатом, утворюючи тверду речовину, і ця тверда речовина випадає з розчину», – сказав Маккрорі. «Це продукт, який ми збираємо, і який можна змішувати як частину процесу виробництва цементу».
Веласкес є співавтором дослідження та доцентом хімії в Університеті Делавер-Сіті. Його група запропонувала ідею використання слідових кількостей свинцю для стимуляції реакцій синтезу оксалату та дослідила механізми хімічної реакції перетворення вуглекислого газу на оксалат.
«Оксалати металів є маловивченою областю застосування, оскільки вони служать альтернативними цементними матеріалами, прекурсорами синтезу та навіть розчинами для зберігання вуглекислого газу», – сказав він.
Александрова також є співавтором дослідження та професором хімії та матеріалознавства в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі . Її команда провела розрахунки, щоб підтвердити гіпотезу про те, що цей механізм працюватиме.
«Каталізатори часто відкривають випадково, а успішні промислові рецептури часто дуже складні. Ці коктейльні каталізатори відкриваються емпірично методом спроб і помилок», – сказала Александрова. «У цій роботі ми маємо приклад того, як слідова домішка свинцю насправді є каталізатором. Я вважаю, що в практиці каталізу є ще багато таких прикладів, а також, що це недостатньо вивчена можливість для відкриття каталізаторів».
Справжнє уловлювання CO₂ з практичними перевагами
Маккрорі каже, що після перетворення вуглекислого газу на тверду речовину оксалат металу, він не буде повторно викидатися в атмосферу у вигляді вуглекислого газу за нормальних умов.
«Це справжній процес захоплення, бо ви створюєте з нього тверде тіло», – сказав він. «Але це також корисний процес захоплення, бо ви створюєте корисний і цінний матеріал, який має подальше застосування».
Маккрорі каже, що дослідники повинні мати змогу масштабувати одну частину процесу: дослідники працюють над електролізом вуглекислого газу у великих масштабах. Наступними кроками буде подальше вивчення того, як масштабувати частину процесу, яка виробляє твердий продукт.
«Ми ще далекі від цього, але я думаю, що це масштабований процес», – сказав Маккрорі. «Частково причина, чому ми хотіли зменшити кількість свинцевого каталізатора до мільярдних частин, полягає в проблемах масштабування каталізатора з величезною кількістю свинцю. В іншому випадку це було б екологічно нерозумно».
