Zrozumienie pułapek węglowych – badania lubelskich i niemieckich naukowców

Zespół naukowców z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie (UMCS), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) oraz Politechniki Drezdeńskiej (TUD) przeprowadził zaawansowane badania nad właściwościami CALF-20 – nowoczesnej metaloorganicznej struktury szkieletowej (MOF) na bazie cynku. Materiał ten wykazuje wyjątkową skuteczność w wychwytywaniu dwutlenku węgla (CO₂), również w obecności pary wodnej.

Wychwytywanie dwutlenku węgla w obecności pary wodnej jest szczególnie istotne z punktu widzenia zastosowań przemysłowych, gdzie gazy technologiczne zazwyczaj zawierają pewien poziom wilgotności, co często utrudnia skuteczne usuwanie z nich CO₂.

CALF-20

CALF-20 wyróżnia się wysoce uporządkowaną strukturą porowatą, przypominającą sieć połączonych tuneli w gąbce. Kluczową rolę odgrywa tutaj zjawisko adsorpcji – proces, w którym cząsteczki gazu przywierają do powierzchni ciała stałego. Dzięki specyficznej architekturze porów, CALF-20 umożliwia selektywne zatrzymywanie cząsteczek CO₂ – zostają uwięzione w materiale. Co ważne, materiał ten preferencyjnie adsorbuje CO₂, jednocześnie ograniczając pochłanianie cząsteczek wody – co wciąż stanowi jedno z głównych wyzwań dla materiałów adsorpcyjnych stosowanych w przemyśle.

– Aby zrozumieć dokładnie mechanizmy działania CALF-20, wykorzystaliśmy szereg zaawansowanych technik eksperymentalnych, takich jak spektroskopia czasu życia anihilacji pozytonów (PALS), dyfrakcja rentgenowska proszkowa in situ (PXRD) oraz izotermy adsorpcji gazów. Dzięki tym narzędziom możliwe było odtworzenie tego, w jaki sposób cząsteczki CO₂ wnikają do porów materiału i oddziałują z jego strukturą – zarówno w zróżnicowanych temperaturach, jak i przy zmieniającym się poziomie wilgotności – wyjaśnia dr Ahmed Atallah z HZDR.

– Kluczowe znaczenie miała technika PALS, która pozwala na detekcję i analizę pustych przestrzeni w materiałach porowatych. Ta technika mierzy czas życia pozytu, tj. związanego stanu pozytonu i elektronu, który jest bardzo czułym próbnikiem lokalnych pustych przestrzeni w materiałach podczas ich wypełniania. Obserwacje pokazały, że cząsteczki CO₂ najpierw gromadzą się w centralnych partiach nanoporów, po czym zaczynają przylegać do ich ścianek. Co ciekawe, nawet po niemal całkowitym nasyceniu materiału gazem, w strukturze CALF-20 wciąż pozostają niewielkie, wolne objętości, które mogą dodatkowo zwiększać efektywność wychwytu – wyjaśnia prof. Radosław Zaleski UMCS.

Efektywność nawet przy wysokiej wilgotności

– Odporność materiału na obecność wilgoci stanowi jego istotny atut. W warunkach niskiej wilgotności cząsteczki wody tworzą izolowane skupiska, nie zakłócając znacząco działania porów. Wraz ze wzrostem wilgotności zaczynają jednak tworzyć sieci wiązań wodorowych, które mogą częściowo ograniczać dostęp do wnętrza materiału. Pomimo tego, CALF-20 zachowuje wysoką efektywność adsorpcyjną nawet przy wilgotności względnej sięgającej 40 proc. – co odpowiada poziomowi dla wielu zastosowań przemysłowych, takich jak spaliny z elektrowni – podsumowuje prof. Stefan Kaskel z TUD.

Dodatkową zaletą CALF-20 są jego korzystne właściwości energetyczne oraz łatwość regeneracji. Te cechy przekładają się na niższe koszty eksploatacyjne w instalacjach wychwytujących CO₂, umożliwiając wykorzystanie materiału bez znaczącego spadku jego efektywności. Warto również podkreślić, że materiał został już przeskalowany do produkcji masowej, co świadczy o jego dojrzałości technologicznej i potencjale do wdrożenia w rzeczywistych warunkach przemysłowych.

Wnioski płynące z przeprowadzonych badań nie tylko dostarczają cennej wiedzy na temat skutecznych metod redukcji emisji CO₂, ale także otwierają nowe perspektywy w projektowaniu kolejnych generacji materiałów MOF – lepiej dostosowanych do wymogów dynamicznie zmieniających się środowisk przemysłowych. Przyszłe prace zespołu badawczego będą koncentrować się na ocenie długoterminowej stabilności CALF-20 oraz na integracji materiału z istniejącymi systemami wychwytu CO₂ w skali przemysłowej.

Źródło: UMCS, fot. B. Schröder/HZDR. Obraz przedstawia artystyczną wizualizację procesu wychwytywania CO₂ z wilgotnego strumienia gazu przy użyciu struktury CALF-20 – cynkowego materiału typu MOF.