การใช้พอลิเมอร์ราคาถูกที่เรียกว่าเมลามีน ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของฟอร์ไมก้า นักเคมีได้สร้างวิธีการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากปล่องควันที่ราคาถูก ง่าย และประหยัดพลังงาน ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักสำหรับสหรัฐอเมริกาและประเทศอื่นๆ ที่ต้องการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก .
กระบวนการสังเคราะห์วัสดุเมลามีนซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances ในสัปดาห์นี้ อาจถูกลดขนาดลงเพื่อดักจับการปล่อยไอเสียจากรถยนต์หรือแหล่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อื่นๆ ที่เคลื่อนที่ได้ คาร์บอนไดออกไซด์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลคิดเป็น 75% ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมดที่ผลิตในสหรัฐอเมริกา
วัสดุชนิดใหม่นี้ทำได้ง่าย โดยต้องใช้ผงเมลามีนที่หาซื้อได้ทั่วไป ซึ่งปัจจุบันมีราคาประมาณ 40 เหรียญสหรัฐต่อตัน ร่วมกับฟอร์มาลดีไฮด์และกรดไซยานูริก ซึ่งเป็นสารเคมีที่เติมคลอรีนลงในสระว่ายน้ำ
“เราต้องการนึกถึงวัสดุดักจับคาร์บอนที่ได้มาจากแหล่งที่มีราคาถูกและหาซื้อได้ง่าย ดังนั้นเราจึงตัดสินใจเริ่มต้นด้วยเมลามีน” เจฟฟรีย์ ไรเมอร์ศาสตราจารย์บัณฑิตวิทยาลัยในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และหนึ่งในผู้เขียนรายงานกล่าว
โครงข่ายรูพรุนเมลามีนที่เรียกว่าจับคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับผลลัพธ์ในระยะแรกสำหรับวัสดุอื่นที่ค่อนข้างใหม่สำหรับการดักจับคาร์บอน กรอบโลหะอินทรีย์ หรือกระทรวงการคลัง นักเคมีของ UC Berkeley ได้สร้าง MOF ดักจับคาร์บอน ขึ้นเป็นครั้งแรก ในปี 2015 และ เวอร์ชันต่อมา ได้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพมากขึ้นในการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากก๊าซไอเสีย เช่น ก๊าซจากโรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง
แต่ Haiyan Mao นักศึกษาปริญญาเอกของ UC Berkeley ซึ่งเป็นผู้เขียนบทความฉบับแรกกล่าวว่าวัสดุที่ใช้เมลามีนใช้ส่วนผสมที่ถูกกว่ามาก ทำง่ายกว่าและประหยัดพลังงานมากกว่ากระทรวงการคลังส่วนใหญ่ ต้นทุนต่ำของเมลามีนที่มีรูพรุนทำให้สามารถนำวัสดุไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง
“ในการศึกษานี้ เรามุ่งเน้นไปที่การออกแบบวัสดุที่ถูกกว่าสำหรับการดักจับและการจัดเก็บ และชี้แจงกลไกปฏิสัมพันธ์ระหว่าง CO 2 กับวัสดุ” เหมากล่าว “งานนี้สร้างวิธีการอุตสาหกรรมทั่วไปสู่การจับ CO 2 อย่างยั่งยืน โดยใช้เครือข่ายที่มีรูพรุน เราหวังว่าเราจะสามารถออกแบบสิ่งที่แนบมาในอนาคตเพื่อดักจับก๊าซไอเสียรถยนต์ หรือสิ่งที่แนบมากับอาคารหรือแม้กระทั่งการเคลือบบนพื้นผิวของเฟอร์นิเจอร์”
งานนี้เป็นความร่วมมือระหว่างกลุ่มที่ UC Berkeley นำโดย Reimer; กลุ่มที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดนำโดย Yi Cui ซึ่งเป็นผู้อำนวยการ Precourt Institute for Energy, ศาสตราจารย์ Somorjai Visiting Miller ที่ UC Berkeley และอดีตเพื่อนดุษฎีบัณฑิต UC Berkeley; UC Berkeley ศาสตราจารย์แห่ง Graduate School Alexander Pines; และกลุ่มที่มหาวิทยาลัย Texas A&M นำโดย Hong-Cai Zhou Jing Tang นักศึกษาปริญญาเอกที่ Stanford และ Stanford Linear Accelerator Center และนักวิชาการที่มาเยี่ยมที่ UC Berkeley เป็นผู้เขียนร่วมกับ Mao คนแรก
ความเป็นกลางของคาร์บอนภายในปี 2050
ในขณะที่การกำจัดการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นสิ่งสำคัญในการหยุดยั้งการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ กลยุทธ์ชั่วคราวที่สำคัญคือการดักจับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกหลัก และเก็บก๊าซไว้ใต้ดินหรือเปลี่ยน CO 2 ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้ กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้ประกาศโครงการมูลค่ารวม 3.18 พันล้านดอลลาร์แล้ว เพื่อเพิ่มเทคโนโลยีขั้นสูงและสามารถปรับขนาดได้ในเชิงพาณิชย์สำหรับการดักจับ การใช้ และการแยกคาร์บอน (CCUS) เพื่อบรรลุเป้าหมายประสิทธิภาพในการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ สูงถึง 90% เป้าหมายสูงสุดของสหรัฐฯ คือการปล่อยคาร์บอนสุทธิเป็นศูนย์ภายในปี 2050
แต่การดักจับคาร์บอนนั้นยังห่างไกลจากศักยภาพในเชิงพาณิชย์ เทคนิคที่ดีที่สุดในปัจจุบันคือการวางท่อก๊าซไอเสียผ่านเอมี นเหลว ซึ่งจับ CO 2 แต่ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อจับกับเอมีน เพื่อให้สามารถรวมความเข้มข้นและเก็บไว้ใต้ดินได้ ส่วนผสมเอมีนต้องได้รับความร้อนระหว่าง 120 ถึง 150 องศาเซลเซียส (250-300 องศาฟาเรนไฮต์) เพื่อสร้าง CO 2ขึ้นใหม่
ในทางตรงกันข้าม โครงตาข่ายเมลามีนที่มีรูพรุนที่มีการดัดแปลง DETA และกรดไซยานูริกจะดักจับ CO 2 ที่ประมาณ 40 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิห้องเล็กน้อย และปลดปล่อยออกมาที่ 80 องศาเซลเซียส ใต้จุดเดือดของน้ำ การประหยัดพลังงานมาจากการไม่ต้องให้ความร้อนกับสารที่อุณหภูมิสูง
ในการวิจัย ทีม Berkeley/Stanford/Texas มุ่งเน้นไปที่พอลิเมอร์เมลามีนทั่วไป ซึ่งไม่เพียงแต่ใช้ในฟอร์ไมก้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงภาชนะและเครื่องใช้บนโต๊ะอาหารราคาไม่แพง สารเคลือบอุตสาหกรรม และพลาสติกอื่นๆ การบำบัดผงเมลามีนด้วยฟอร์มาลดีไฮด์ ซึ่งนักวิจัยทำในปริมาณเป็นกิโลกรัม จะสร้างรูพรุนระดับนาโนในเมลามีนที่นักวิจัยคิดว่าจะดูดซับCO 2
เหมากล่าวว่าการทดสอบยืนยันว่าเมลามีนที่บำบัดด้วยฟอร์มาลดีไฮด์ดูดซับ CO 2 ได้บ้าง แต่การดูดซับสามารถปรับปรุงได้มากโดยการเพิ่มสารเคมีที่มีเอมีนอีกตัวหนึ่งคือ DETA (diethylenetriamine) เพื่อจับCO 2 เธอและเพื่อนร่วมงานพบว่าการเติมกรดไซยานูริกระหว่างปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันช่วยเพิ่มขนาดรูพรุนได้อย่างมากและเพิ่มประสิทธิภาพการดักจับ CO 2 อย่างมาก: คาร์บอนไดออกไซด์เกือบทั้งหมดในส่วนผสมของก๊าซไอเสียจำลองถูกดูดซับภายในเวลาประมาณ 3 นาที
การเติมกรดไซยานูริกยังช่วยให้สามารถใช้วัสดุได้ซ้ำแล้วซ้ำอีก
เหมาและเพื่อนร่วมงานของเธอได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบโซลิดสเตต (NMR) เพื่อทำความเข้าใจว่ากรดไซยานูริกและ DETA มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรเพื่อให้การดักจับคาร์บอนมีประสิทธิภาพมาก การศึกษาแสดงให้เห็นว่ากรดไซยานูริกสร้างพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงกับโครงข่ายเมลามีนที่ช่วยรักษาเสถียรภาพของ DETA ป้องกันไม่ให้หลุดออกจากรูพรุนของเมลามีนในระหว่างการดักจับคาร์บอนและการสร้างใหม่
“สิ่งที่ Haiyan และเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถแสดงได้ด้วยเทคนิคอันสง่างามเหล่านี้ก็คือวิธีที่กลุ่มเหล่านี้ผสมผสานกัน วิธีที่ CO 2 ทำปฏิกิริยากับพวกเขา และเมื่อมีกรดไซยานูริกที่เปิดรูพรุนนี้ เธอก็สามารถหมุนเวียน CO 2 ต่อไปและ ออกหลายครั้งด้วยความจุที่ค่อนข้างดี” Reimer กล่าว “และอัตราการดูดซับ CO 2 นั้นค่อนข้างเร็วเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ ดังนั้นทุกแง่มุมที่ใช้งานได้จริงในระดับห้องปฏิบัติการของวัสดุนี้สำหรับการดักจับ CO 2 นั้นได้รับการตอบสนองแล้ว และราคาถูกอย่างเหลือเชื่อและง่ายต่อการสร้าง”
“การใช้เทคนิคการเรโซแนนซ์แม่เหล็กด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบโซลิดสเตต เราได้อธิบายอย่างเป็นระบบในรายละเอียดระดับอะตอมอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนเกี่ยวกับกลไกของปฏิกิริยาของเครือข่ายอสัณฐานที่มี CO 2 ” เหมากล่าว “สำหรับชุมชนพลังงานและสิ่งแวดล้อม งานนี้สร้างเครือข่ายโซลิดสเตตที่มีประสิทธิภาพสูงพร้อมความเข้าใจกลไกอย่างละเอียด แต่ยังส่งเสริมวิวัฒนาการของการวิจัยวัสดุที่มีรูพรุนตั้งแต่วิธีการลองผิดลองถูกไปจนถึงขั้นตอนที่มีเหตุผล -by-step, การมอดูเลตระดับอะตอม”
กลุ่ม Reimer และ Cui ยังคงปรับขนาดรูพรุนและกลุ่มเอมีนอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการดักจับคาร์บอนของเครือข่ายเมลามีนที่มีรูพรุน ขณะที่ยังคงประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการใช้เทคนิคที่เรียกว่าไดนามิก combinatorial เคมีเพื่อเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของส่วนผสมเพื่อให้ได้ การดักจับ CO 2ที่มีประสิทธิภาพ ปรับขนาดได้ รีไซเคิลได้ และมีความจุสูง
Reimer และ Mao ยังได้ร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับกลุ่ม Cui ที่ Stanford เพื่อสังเคราะห์วัสดุประเภทอื่น ๆ รวมถึง เยื่อหุ้มนาโนที่มีรู พรุนแบบลำดับชั้น ซึ่งเป็นชั้นของนาโนคอมโพสิตที่รวมกับทรงกลมคาร์บอนและกราฟีนออกไซด์และ คาร์บอนนาโนที่มีรู พรุนแบบลำดับชั้น ที่ทำจากไม้สนเพื่อดูดซับคาร์บอน ไดออกไซด์ Reimer ได้พัฒนา NMR แบบโซลิดสเตตโดยเฉพาะเพื่อกำหนดลักษณะกลไกโดยที่วัสดุที่เป็นของแข็งมีปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อออกแบบวัสดุที่ดีกว่าสำหรับการดักจับคาร์บอนจากสิ่งแวดล้อมและการจัดเก็บพลังงาน Cui ได้พัฒนาแพลตฟอร์มโซลิดสเตตและเทคนิคการผลิตที่แข็งแกร่งและยั่งยืนสำหรับการสร้างวัสดุใหม่เพื่อจัดการกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการจัดเก็บพลังงาน
