Метод улавливания углерода позволяет добывать ингредиенты для цемента из воздуха

Регистрация | Забыли свой пароль?
10.06.2025

Химик из Мичиганского университета Чарльз МакКрори и его исследовательская группа, а также лаборатория Хесуса Веласкеса из Калифорнийского университета в Дэвисе и лаборатория Анастасии Александровой из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали метод улавливания углекислого газа и превращения его в оксалаты металлов, которые затем можно использовать в качестве сырья для производства цемента.

Исследование опубликовано в журнале «Advanced Energy Materials».

«Это исследование показывает, как мы можем взять углекислый газ, который, как все знают, является побочным продуктом, практически не имеющим ценности, и превратить его во что-то ценное, — сказал МакКрори, доцент кафедры химии, макромолекулярной науки и инженерии. – Мы не просто берём углекислый газ и закапываем его; мы берём его из разных источников и используем для чего-то полезного».

Исследование было инициировано участием МакКрори в работе Центра по замыканию углеродного цикла (4C), исследовательского центра Energy Frontier, возглавляемого Дженни Янг в Калифорнийском университете в Ирвайне. Одна из целей Центра 4C — изучение методов улавливания и преобразования углекислого газа в ценные виды топлива и продукты.

Наиболее распространённым видом цемента является портландцемент, который обычно производится из известняка и таких минералов, как силикаты кальция. По словам МакКрори, производство портландцемента требует относительно больших затрат энергии и вызывает выбросы углекислого газа. МакКрори и его коллеги искали способы улавливать углекислый газ и превращать его в материалы, которые можно использовать для производства альтернативных видов цемента.

Одним из видов материалов, которые можно использовать в качестве альтернативного предшественника цемента, являются оксалаты металлов — простые соли. Исследователи знают, что свинец можно использовать в качестве катализатора — вещества, которое способствует химической реакции, — для преобразования углекислого газа в оксалаты металлов. Но для этого процесса требуется большое количество свинцовых катализаторов, что представляет опасность для окружающей среды и здоровья человека.

Команда 4C смогла использовать полимеры для контроля среды, непосредственно окружающей свинцовые катализаторы, сократив количество свинца, необходимого для этого процесса, до долей на миллиард — уровня примесей свинца, который содержится во многих коммерческих пористых графитовых и углеродных материалах.

МакКрори специализируется на контроле микроокружения — химической и координационной среды — вокруг участков катализатора. Контролируя микроокружение, МакКрори может регулировать активность катализатора. Исследователи показали, что, контролируя микроокружение, окружающее свинцовый катализатор в химической реакции, которая преобразует углекислый газ в оксалат, можно значительно сократить количество свинца, необходимого для процесса.

Чтобы получить оксалат из углекислого газа, исследователи используют набор электродов. На одном электроде углекислый газ преобразуется в оксалат, который представляет собой ион, растворённый в растворе. Другой электрод — металлический — окисляется и высвобождает ионы металла, которые связываются с ионом оксалата и осаждают его из раствора в виде твёрдого оксалата металла.

«Эти ионы металлов соединяются с оксалатом, образуя твёрдое вещество, и это твёрдое вещество выпадает из раствора, — сказал МакКрори. — Это продукт, который мы собираем и который можно использовать в процессе производства цемента».

Веласкес является одним из ведущих авторов исследования и доцентом кафедры химии в Университете Лидса. Его группа выдвинула идею использования следовых количеств свинца для запуска реакций синтеза оксалата и изучила механизмы химической реакции диоксида углерода с оксалатом.

«Оксалаты металлов представляют собой малоизученную область, которая может служить альтернативным цементирующим материалом, прекурсором для синтеза и даже решением для хранения углекислого газа», — сказал он.

Александрова также является одним из ведущих авторов исследования и профессором химии и материаловедения в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Её команда провела расчёты, чтобы подтвердить гипотезу о том, что этот механизм будет работать.

«Катализаторы часто обнаруживают случайно, а успешные промышленные составы часто бывают очень сложными. Эти катализаторы-коктейли открывают эмпирическим путём, методом проб и ошибок, — сказала Александрова. – В этой работе мы приводим пример того, как примесь свинца в следовых количествах на самом деле является катализатором. Я считаю, что в практике катализа есть много других подобных примеров, а также что это малоизученная возможность для открытия катализаторов».

МакКрори говорит, что после преобразования углекислого газа в твёрдый оксалат металла он не будет снова выделяться в атмосферу в виде углекислого газа при нормальных условиях.

«Это настоящий процесс улавливания, потому что вы превращаете его в твёрдое вещество, — сказал он. — Но это также полезный процесс улавливания, потому что вы превращаете его в полезный и ценный материал, который можно использовать в дальнейшем».

МакКрори говорит, что исследователи должны иметь возможность масштабировать одну из частей процесса: «Исследователи работают над электролизом для получения углекислого газа в больших масштабах. Следующим шагом будет дальнейшее изучение того, как масштабировать ту часть процесса, которая производит твёрдый продукт».

«Мы ещё далеки от этого, но я думаю, что это масштабируемый процесс, — сказал МакКрори. –Одна из причин, по которой мы хотели уменьшить количество свинца в катализаторе до долей на миллиард, заключается в сложностях масштабирования катализатора с большим количеством свинца. В противном случае это было бы неразумно с экологической точки зрения».

Источник: Tech Xplore


Возврат к списку публикаций


Ваше мнение о статье

Интернет-ресурсы

Популярные тэги ntsr.info

Нано в играх

Нанотехнологическое общество России

email: orgnanosociety@mail.ru