Технологии улавливания co₂ основаны на материалах, которые могут избирательно улавливать парниковый газ из газовых потоков при минимальном потреблении энергии. Традиционные адсорбенты, такие как активированный уголь и цеолиты, часто страдают от высокой энергоемкости или низкой селективности во влажной среде. Напротив, CALF-20 выделяется благодаря высокому поглощению CO₂ и умеренной теплоте адсорбции и регенерации. Он сохраняет высокую селективность за счет преимущественной адсорбции CO₂ над водой в условиях умеренной влажности. CALF-20 более эффективно улавливает CO₂ и поглощает меньше воды в таких условиях по сравнению с другими широко изученными аналогичными соединениями. Все эти МОФ обладают высокой пористостью и состоят из металлокислородных кластеров, которые структурированно соединены столбиками органических химикатов. Такое трехмерное расположение приводит к образованию сети полостей, напоминающих поры кухонной губки.

"В этом исследовании мы использовали многогранный подход для изучения поведения CALF-20 при адсорбции CO₂. Используя комбинацию позитронно-аннигиляционной спектроскопии времени жизни (PALS), порошковой рентгеновской дифракции in situ (PXRD), а также эксперименты по адсорбции газа, мы смогли визуализировать взаимодействие между молекулами co₂ и внутренней структурой материала при различных температурах и уровнях влажности. Эти результаты дают важную информацию для оптимизации технологий улавливания CO₂ в реальных промышленных условиях", - объясняет доктор Ахмед Атталлах из Института радиационной физики HZDR.

Глубокое погружение в механизмы адсорбции

"PALS играет решающую роль в анализе того, как газы взаимодействуют с пористыми материалами. Этот метод измеряет время жизни позитрония, связанного состояния электрона и позитрона, которое чувствительно к локальным свободным объемам. В пористых материалах, таких как CALF-20, время жизни позитрония указывает на пустые пространства, их размер и то, как они изменяются, когда молекулы газа начинают заполнять поры", - говорит профессор. Говорит Радослав Залески из Люблинского университета Марии Кюри-Склодовской.

С помощью PALS исследователи наблюдали, что co₂ первоначально собирается в центре нанопор CALF-20, образуя структурированное расположение, прежде чем прилипнуть к стенкам пор. Этот прогресс коррелирует с увеличением давления CO₂, подтверждая, что PALS может отслеживать этапы молекулярной адсорбции в режиме реального времени. Метод также показал, что даже после того, как CO₂ заполняет поры, сохраняются небольшие свободные объемы, что может иметь решающее значение для повышения эффективности адсорбции.

PALS был особенно полезен для определения того, как CO₂ и вода взаимодействуют внутри материала. Данные PALS показали, что во влажных условиях вода образует изолированные скопления при низкой влажности, но при более высоких уровнях влажности она образует взаимосвязанные сети. "Эти структурные изменения влияют на доступность пор, однако CALF-20 сохраняет свою значительную способность к адсорбции co₂ при относительной влажности ниже 40 процентов. Одним только традиционным методам адсорбции газа было бы трудно устранить эти тонкие структурные изменения, демонстрируя уникальную ценность PALS в анализе динамических взаимодействий газа и материала", - говорит профессор TUD. Стефан Каскель продолжает.

Влияние влажности: ключевая проблема при улавливании CO₂

При промышленном применении CO₂ редко улавливается из потоков сухого газа - влага присутствует почти всегда. Это создает проблему для многих материалов, поскольку молекулы воды часто конкурируют с co₂ за места адсорбции, снижая эффективность.

В ходе экспериментов с контролем влажности на месте команда обнаружила, что CALF-20 сохраняет высокие показатели адсорбции CO₂ даже в присутствии воды, где уровень относительной влажности определяет эту надежность. При низкой влажности молекулы воды остаются изолированными внутри каркаса. Такое образование сетки изменяет свободный объем материала, но co₂ по-прежнему находит доступные места адсорбции, демонстрируя устойчивость CALF-20 во влажных условиях. При все более высоком уровне влажности они образуют взаимосвязанные сети с водородными связями, что позволяет преобладать поглощению воды.

Объединяя PALS с другими методами определения характеристик, это исследование обеспечивает всестороннее понимание того, как CALF-20 улавливает CO₂ в различных условиях окружающей среды. Результаты показывают, что CALF-20 может служить масштабируемым и энергоэффективным решением для промышленного улавливания CO₂, особенно в условиях, где влажность представляет проблему. Разработанный исследователями из Университета Калгари, CALF-20 уже был доведен до многокилограммового производства, что делает его отличным кандидатом для применения в реальных условиях.

Последствия выходят за рамки фундаментальной науки - эти выводы могут проложить путь к оптимизации MOF следующего поколения для крупномасштабного внедрения в системах улавливания и хранения углерода (CCS). Дальнейшие исследования будут сосредоточены на долгосрочной стабильности и интеграции процессов, приближаясь к внедрению CALF-20 в стратегии снижения выбросов CO₂ в промышленности.

Исследование было проведено при поддержке DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) по контракту 464857745 (AT 289/1-1 и KA1698/41-1).