جذب مستقیم CO2 از هوا با ماده ای جدید

محققان دانشگاه کالیفرنیا ، ماده جدیدی برای جذب مستقیم CO2 از هوا توسعه داده‌اند که نسبت به فناوری‌های موجود برتری دارد.

به گزارش تک‌ناک، این چارچوب آلی کووالانسی (COF) می‌تواند دی‌اکسید کربن را به‌طور مؤثری از هوای محیط حذف کند، که مشابه با ظرفیت جذب درختان، اما با سرعتی بسیار بیشتر عمل می‌نماید.

چالش‌های جذب کربن

جذب و ذخیره دی‌اکسید کربن تولیدشده برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و کند کردن روند گرمایش جهانی ضروری است. اما فناوری‌های فعلی جذب مستقیم CO2 فقط برای منابع متمرکز کربن، مانند انتشار از نیروگاه‌ها، مؤثر هستند. این روش‌ها برای جذب دی‌اکسید کربن از هوا، که غلظت آن صدها برابر کمتر از گازهای دودکش است، مشکل دارند.

با وجود این، جذب مستقیم هوا (DAC) به‌ عنوان راهکاری اساسی برای از بین بردن افزایش سطح CO2 که اکنون به ۴۲۶ بخش در میلیون (ppm) رسیده است، در نظر گرفته می‌شود. این سطح حدود ۵۰ درصد بیشتر از سطوح پیش از انقلاب صنعتی است.

هیئت بین‌المللی تغییرات اقلیمی هشدار می‌دهد که بدون DAC، نمی‌توانیم به هدف محدود کردن گرمایش جهانی به ۱.۵ درجه سانتی‌گراد بالاتر از میانگین‌های تاریخی برسیم.

پیشرفت در جذب مستقیم هوا

ماده جدیدی که توسط شیمی‌دانان دانشگاه کالیفرنیا توسعه داده شده است، می‌تواند به تحقق این هدف کمک کند.

این ماده متخلخل، که به عنوان چارچوب آلی کووالانسی (COF) شناخته می‌شود، می‌تواند CO2 را به‌طور مؤثری از هوا جذب کند، بدون اینکه آب یا سایر آلاینده‌ها آن را تخریب نمایند؛ مشکلاتی که فناوری‌های DAC فعلی با آن مواجه هستند.

عمر یاغی، استاد شیمی “James and Neeltje Tretter” در دانشگاه کالیفرنیا و نویسنده ارشد مقاله‌ای که در ۲۳ اکتبر در مجله Nature منتشر شد، گفت: «ما پودر این ماده را در لوله گذاشتیم و هوا را از داخل ماده عبور دادیم تا ببینیم چگونه عمل می‌کند و نتیجه فوق‌العاده بود. این روش هوا را به‌طور کامل از CO2 پاک کرد.»

وی تصریح کرد: «من از این موضوع هیجان‌زده هستم، چرا که هیچ چیزی مانند آن از نظر عملکرد وجود ندارد.»

بهبود جذب کربن با COFها

به گفته یاغی، ماده جدید به‌ راحتی می‌تواند در سیستم‌های جذب کربنی که در حال حاضر برای حذف CO2 از انتشار پالایشگاه‌ها و جذب CO2 جوی برای ذخیره‌سازی زیرزمینی استفاده می‌شود، جایگزین گردد.

ژوهوی ژو، دانشجوی دکتری دانشگاه کالیفرنیا و نویسنده اول این مقاله، گفت که تنها ۲۰۰ گرم از این ماده می‌تواند به اندازه ۲۰ کیلوگرم CO2 در سال جذب کند، که معادل جذب یک درخت است.

پیشرفت در توسعه مواد

یاغی، مخترع COFها و MOFها (چارچوب‌های فلزی-آلی) است، که هر دو ساختارهای بلوری سختی هستند و حفره‌های داخلی منظم و سطحی بزرگ برای جذب گازها دارند.

برخی از MOFها که او و آزمایشگاهش توسعه داده‌اند، می‌توانند آب را از هوا حتی در شرایط خشک جذب و پس از گرم شدن، آب را برای نوشیدن آزاد کنند. یاغی از دهه ۱۹۹۰ روی MOFها برای جذب کربن کار کرده است.

دو سال پیش، آزمایشگاه یاغی ماده بسیار امیدوارکننده‌ای به نام MOF-808 ایجاد کرد که CO2 را جذب می‌کند، اما محققان متوجه شدند که پس از صدها چرخه جذب و دفع، MOFها تخریب می‌شوند.

این MOFها دارای آمین‌ها (گروه‌های NH2) بودند، که به‌طور مؤثری به CO2 متصل می‌شوند و جزئی رایج از مواد جذب کربن هستند. با وجود این، یاغی اشاره کرد که بازسازی انرژی‌بر و ناپایداری آمین‌های مایع، استفاده صنعتی آنها را محدود می‌کند.

چالش‌ها و نوآوری‌ها در جذب CO2

یاغی و تیم او متوجه شدند که چرا برخی از مواد MOFها در شرایط جذب مستقیم هوا دچار تخریب می‌شوند. چرا که این مواد در محیط‌های بازی ناپایدار هستند، اما در شرایط اسیدی پایدارتر هستند و آمین‌ها خاصیت بازی دارند.

یاغی و ژو با کمک همکاران خود در آلمان و شیکاگو، یک ماده قوی‌تر به نام COF-999 طراحی کردند. در حالی که MOFها با اتم‌های فلزی به هم متصل شده‌اند، COFها با پیوندهای قوی کربن-کربن و کربن-نیتروژن به هم وصل می‌شوند، که از قوی‌ترین پیوندهای شیمیایی هستند. 

مانند MOF-808، حفره‌های COF-999 نیز از داخل با آمین‌ها تزئین شده‌اند و امکان جذب بیشتر مولکول‌های CO2 را فراهم می‌کنند.

یاغی بیان کرد: «جذب CO2 از هوا یک مشکل بسیار چالش‌برانگیز است. این فرایند از نظر انرژی‌بر بودن نیازمند ماده‌ای با ظرفیت بالای جذب کربن، پایداری در برابر آب، پایداری اکسیداتیو، قابلیت بازیافت، دمای بازسازی پایین و مقیاس‌پذیری است. ماده‌ای که به‌طور کلی به کار گرفته شده است، محلول‌های آمینی هستند که به دلیل وجود آمین‌ها در آب، انرژی زیادی مصرف می‌کنند.»

او و تیمش طی ۲۰ سال گذشته در حال توسعه COFهایی بوده‌اند که ساختار محکمی دارند تا در برابر آلاینده‌ها، از جمله اسیدها، بازها، آب، گوگرد و نیتروژن که سایر مواد جامد متخلخل را تخریب می‌کنند، مقاوم باشند.

جهت‌گیری‌های آینده و ادغام با هوش مصنوعی

یاغی اشاره کرد که تمام آمین‌های موجود در زنجیره‌های پلی‌آمین داخلی در حال حاضر CO2 را جذب نمی‌کنند، بنابراین ممکن است بتوان منافذ را بزرگ‌تر کرد تا بیش از دو برابر مقدار CO2 جذب شود.

او توضیح داد: «این COF از نظر شیمیایی و حرارتی دارای ساختار پایداری است، انرژی کمتری مصرف می‌کند و ما نشان داده‌ایم که می‌تواند ۱۰۰ چرخه را بدون از دست دادن ظرفیت پشت سر بگذارد. هیچ ماده دیگری به این شکل عمل نکرده است.»

یاغی امیدوار است که هوش مصنوعی بتواند طراحی COFها و MOFهای بهتری برای جذب کربن و کاربردهای دیگر ارائه دهد. این کار به ویژه با شناسایی شرایط شیمیایی لازم برای ساخت این ساختارهای بلوری امکان‌پذیر است.

وی اعلام کرد: «ما از ترکیب هوش مصنوعی با شیمی بسیار هیجان‌زده هستیم.»