Объектом исследования команды является формиат алюминия, одно из веществ класса, называемых металлорганическими каркасами (MOF). Как группа, MOF продемонстрировали большой потенциал для фильтрации и отделения органических материалов - часто различных углеводородов в ископаемом топливе - друг от друга. Некоторые МОФ показали себя многообещающими при переработке природного газа или разделении октановых компонентов бензина; другие могут способствовать снижению затрат на производство пластмасс или дешевой переработке одного вещества в другое. Их способность выполнять такое разделение обусловлена их пористой природой.

Формиат алюминия, который ученые называют ALF, обладает способностью отделять углекислый газ (CO₂) от других газов, которые обычно вылетают из дымовых труб угольных электростанций. В нем также отсутствуют недостатки, присущие другим предлагаемым материалам для углеродной фильтрации, сказал Хейден Эванс из NIST, один из ведущих авторов исследовательской работы команды, опубликованной сегодня в рецензируемом журнале Научные достижения.

"Что делает эту работу захватывающей, так это то, что ALF работает действительно хорошо по сравнению с другими высокопроизводительными СО₂ адсорбенты, но они конкурируют с дизайнерскими соединениями по своей простоте, общей стабильности и легкости приготовления", - сказал Эванс, химик из Центра нейтронных исследований NIST (NCNR). "Он сделан из двух веществ, которые легко и в изобилии можно найти, поэтому создание достаточного количества ALF для широкого использования должно быть возможным при очень низких затратах".

В исследовательскую группу входят ученые из Национального университета Сингапура; Сингапурского агентства по науке, технологиям и исследованиям; Университета Делавэра; и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

На угольные электростанции приходится примерно 30% мирового выбросов CO₂ выбросы. Даже сейчас, когда мир осваивает другие источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, которые не генерируют парниковые газы, поиск способа снизить выбросы углерода существующими установками может помочь смягчить их последствия, пока они остаются в эксплуатации.

Очистка СО₂ удаление дымовых газов до того, как они попадут в атмосферу, в первую очередь является логичным подходом, но создание эффективного скруббера оказалось сложной задачей. Смесь газов, которая поступает в дымовые трубы угольных электростанций, как правило, довольно горячая, влажная и коррозийная - характеристики, которые затрудняют поиск экономичного материала, способного эффективно выполнять эту работу. Некоторые другие МОФ работают хорошо, но изготовлены из дорогих материалов; другие сами по себе менее затратны, но адекватно работают только в сухих условиях, требуя "стадии сушки", которая снижает влажность газа, но повышает общую стоимость процесса очистки.

"Соберите все это вместе, вам нужен какой-нибудь чудо-материал", - сказал Эванс. "Здесь нам удалось отметить все графы, кроме стабильности в очень влажных условиях. Однако использование ALF было бы достаточно недорогим, чтобы стадия сушки стала жизнеспособным вариантом".

ALF производится из гидроксида алюминия и муравьиной кислоты, двух химических веществ, которые в изобилии и легко доступны на рынке. По словам Эванса, это будет стоить менее доллара за килограмм, что в 100 раз дешевле, чем у других материалов с аналогичными характеристиками. Низкая стоимость важна, поскольку для улавливания углерода на одной установке может потребоваться до десятков тысяч тонн фильтрующего материала. Сумма, необходимая для всего мира, была бы огромной.

В микроскопическом масштабе ALF напоминает трехмерную проволочную клетку с бесчисленными маленькими отверстиями. Эти отверстия как раз достаточно велики, чтобы позволить CO₂ молекулы, которые могут проникать и задерживаться, но достаточно малы, чтобы исключить немного более крупные молекулы азота, составляющие большую часть дымовых газов. Работа по дифракции нейтронов в NCNR показала команде, как отдельные ячейки в материале собираются и заполняются CO₂, показывая, что молекулы газа помещаются внутри определенных клеток в ALF, как рука в перчатке, сказал Эванс.

Несмотря на свой потенциал, ALF не готов к немедленному использованию. Инженерам необходимо было бы разработать процедуру для создания ALF в больших масштабах. Для установки, работающей на угле, также потребуется совместимый процесс снижения влажности дымовых газов перед их очисткой. Эванс сказал, что уже многое понятно о том, как решать эти проблемы, и что они не сделают стоимость использования ALF непомерно высокой.

Что делать с СО₂ последующее использование также является важным вопросом, сказал он, хотя это проблема для всех материалов, улавливающих углерод. Ведутся исследования по превращению его в муравьиную кислоту, которая является не только природным органическим веществом, но и одним из двух компонентов ALF. Идея здесь заключается в том, что ALF может стать частью циклического процесса, в котором ALF удаляет CO₂ из потоков выхлопных газов, и что захваченный CO₂ используется для получения большего количества муравьиной кислоты. Эта муравьиная кислота затем будет использоваться для получения большего количества ALF, что еще больше снизит общее воздействие и стоимость цикла обработки материала.

"В настоящее время проводится большое исследование проблемы того, что делать со всеми захваченными СО₂, - сказал Эванс. "Кажется возможным, что в конечном итоге мы могли бы использовать солнечную энергию для отделения водорода от воды, а затем объединить этот водород с CO₂ чтобы получить больше муравьиной кислоты. В сочетании с ALF это решение, которое помогло бы планете".