На самом деле было бы здорово, если бы CO2 в атмосфере можно было просто адсорбировать! Оказывается, именно это и направлено на прямое улавливание воздуха (DAC) или улавливание CO2 в условиях окружающей среды.
Однако до сих пор не было разработано такого материала, способного эффективно адсорбировать CO2 в условиях DAC. "Хорошо известно, что СО2 имеет кислую природу. Поэтому материалы основной природы обычно используются в качестве адсорбентов для CO2. Однако это часто приводит к коррозии системы, а также не подходит для повторного использования адсорбированного CO2 », – объясняет профессор Ясусиге Курода из Университета Окаяма, Япония, который проводит исследования в области химии поверхности.
На этом фоне в недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Materials Chemistry A, ученые из Университета Окаяма и Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения (JASRI) во главе с проф.
Курода исследовал адсорбционные свойства материала, который до сих пор оставался «проигравшим»: цеолиты (минералы, содержащие в основном оксиды алюминия и кремния). «Цеолитным материалам в качестве адсорбентов уделялось мало внимания из-за их низкой адсорбционной способности CO2 при комнатной температуре и в области адсорбции при более низком давлении, а также их плохой селективности по азоту», – говорит проф. Курода.
В своем исследовании проф. Курода и его команда разработали метод ионного обмена цеолита с ионами щелочноземельных металлов и достигли чрезвычайно высокой адсорбции CO2 в условиях окружающей среды. Команда специально выбрала цеолит A-типа (соотношение кремний / алюминий 1) из-за подходящего размера пор для адсорбции CO2, в то время как обмен щелочно-земельных ионов придавал большую напряженность электрического поля, которое, предположительно, действовало как движущая сила для адсорбция.
Ученые выбрали двухзарядный ион кальция (Ca2 +) в качестве обменного иона, поскольку он обеспечивает наибольшую адсорбцию. Фактически, отмеченный адсорбированный объем был самым большим количеством CO2, которое когда-либо адсорбировалось любой цеолитной системой, превосходя аналогичный показатель для других материалов в аналогичных условиях!
Чтобы исследовать лежащий в основе механизм адсорбции, ученые провели измерения в дальнем инфракрасном (дальнем) диапазоне и подкрепили их расчетами по теории функционала плотности (DFT). Спектры дальнего ИК-диапазона, в которых были обнаружены колебательные моды, обусловленные колебанием Са2 + -цеолита, показали отчетливый сдвиг в сторону более длинных волн после адсорбции СО2, что ученые не смогли распознать в других образцах, e.грамм.
Цеолит типа А с ионным обменом натрия. Далее они подтвердили свое наблюдение с помощью модели, которая показала хорошее согласие с расчетами DFT.
Более того, ученые смогли полностью десорбировать адсорбированный CO2 и восстановить исходный образец и его специфические адсорбционные свойства. Кроме того, образец показал превосходную селективную адсорбцию CO2 из других газов после того, как ученые исследовали разделение CO2 с использованием модельного газа, который имитировал в своем составе окружающий воздух.
Таким образом, полученные данные выводят цеолиты на передний план в качестве эффективного адсорбента CO2 в условиях окружающей среды, что ранее считалось недостижимым с этими системами. «Наша работа может открыть двери для потенциально новых применений цеолитов, таких как очистка воздуха внутри полузакрытых пространств, включая космические челноки, подводные лодки и концертные залы, а также в качестве адсорбирующего материала в процессе анестезии», – полагает проф. Курода взволнованно.
Но одно можно сказать наверняка: химики никогда больше не будут смотреть на цеолит таким же образом.