Новый метод, разработанный специалистами ETH Zurich, отличается от традиционных способов улавливания углерода, основанных на использовании температуры или давления, что позволяет свести к минимуму потребление энергии.
В борьбе с глобальным потеплением группа исследователей из Высшей технической школы Цюриха разработала новый процесс улавливания углерода, использующий силу света. Этот инновационный подход предлагает более устойчивый способ борьбы с изменением климата и может иметь значительные последствия для будущего нашей планеты.
В новом методе, разработанном командой, воздух пропускается через жидкость для улавливания двуокиси углерода (CO2). Когда жидкость подвергается воздействию света, захваченный парниковый газ высвобождается и может быть собран. Используя светореактивные молекулы для управления кислотностью жидкости и улавливания углекислого газа, новый метод знаменует собой переход от традиционных технологий улавливания углерода, которые зависят от разницы температур или давления и требуют значительного потребления энергии. Инновационный процесс, основанный на использовании света, позволяет избежать таких энергоемких требований.
Подробности исследования, проведенного под руководством профессора электрохимических энергетических систем в ETH Zurich Марии Лукацкой, были опубликованы в журнале ACS. Команда из ETH Zurich использовала принцип, согласно которому CO2 существует в газообразной форме в кислых водных растворах. Напротив, в щелочных водных растворах он вступает в реакцию с образованием карбонатов, называемых солями угольной кислоты. Это химическое превращение обратимо, и уровень кислотности жидкости определяет, содержит ли она CO2 или карбонаты. Для того чтобы управлять кислотностью жидкой среды, исследователи ввели в нее фотокислоты - молекулы, реагирующие на свет. Когда жидкость подвергается воздействию света, эти молекулы вызывают повышение кислотности и наоборот, в отсутствие света они возвращаются в исходное состояние, делая жидкость более щелочной.
Процесс выделения CO2 из воздуха начинается с пропускания воздуха через жидкость, обогащенную фотокислотами, в отсутствие света. Учитывая щелочной характер жидкости, CO2 вступает в реакцию, образуя карбонаты. Когда накопление солей в жидкости достигает заметного уровня, исследователи подвергают жидкость воздействию света.
Воздействие света вызывает повышение кислотности, что приводит к превращению карбонатов обратно в CO2. Подобно пузырькам, наблюдаемым в бутылке с колой, CO2 выделяется из жидкости и может быть собран в газовых баллонах. Достигнув минимального уровня CO2 в жидкости, исследователи отключают источник света, запуская циклический процесс. По словам команды, жидкость снова готова к улавливанию CO2.
На практике возникла проблема: использованные фотокислоты оказались нестабильными в воде и разлагались в течение суток. Команда решила эту проблему, переведя реакцию на смесь воды и органического растворителя. В ходе лабораторных экспериментов и модельных расчетов, проведенных исследователями, они оптимизировали соотношение жидкостей. Эта смесь стабилизировала молекулы фотокислот в течение почти месяца и способствовала обратимому переключению между кислотностью и щелочностью с помощью света. По словам исследователей, если исключить воду из органического растворителя, реакция станет необратимой.
В отличие от других циклических методов улавливания углерода, устоявшаяся технология включает в себя фильтры, которые улавливают молекулы CO2 при температуре окружающей среды. Впоследствии, чтобы высвободить захваченный CO2 из фильтров, их необходимо нагреть примерно до 100℃. Однако энергоемкость нагрева и охлаждения составляет значительную часть энергопотребления в методе с использованием фильтров.
На январь 2024 года ученые стремятся повысить стабильность молекул фотокислот. Одновременно они углубленно изучают общие параметры процесса, чтобы добиться его дальнейшей оптимизации.