Стратегия штрафования

Особенность от 3 ноября 2022 г.

Ингрид Фаделли, Phys.org

В последние годы многие инженеры и ученые-материаловеды пытались разработать устойчивые энергетические решения, которые могли бы помочь смягчить изменение климата на Земле. Сюда входят технологии улавливания углерода, которые специально разработаны для улавливания или поглощения углекислого газа (CO2) на объектах, где он широко производится, например, на электростанциях или промышленных объектах, которые используют биомассу или сжигают ископаемое топливо.

Хотя некоторые решения по улавливанию углерода дают многообещающие результаты, решения, основанные на традиционных методах влажной химической очистки с использованием аминов sp3, часто потребляют слишком много энергии и склонны к коррозии и деградации сорбента. Это существенно ограничивает их широкое внедрение, подчеркивая необходимость альтернативных стратегий отделения CO2.

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса, Техасского университета в Остине и Массачусетского технологического института (MIT) недавно представили серию окислительно-восстановительных оснований Льюиса (т. е. молекул с неподеленной парой электронов, которые могут быть переданы в координатную ковалентную связь). ) с азотными центрами sp2, способными обратимо захватывать и выделять CO2. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Energy, они также обрисовывают стратегии по точной настройке свойств этих оснований Льюиса.

«Мы демонстрируем библиотеку окислительно-восстановительных оснований Льюиса с sp2-азотными центрами, которые могут обратимо захватывать и выделять углекислый газ посредством электрохимического цикла», — написали в своей статье Син Ли, Сюньхуа Чжао, Юаньюэ Лю, Т. Алан Хаттон и Яюань Лю. . «Механизм процесса улавливания углерода объясняется с помощью комбинированного экспериментального и вычислительного подхода».

Недавняя работа исследователей основана на идее о том, что из-за их сродства к CO2 основания Льюиса с редокс-активными азотными центрами sp2 можно модулировать с помощью электрохимических потенциалов, что позволяет разработать альтернативные, более эффективные решения для улавливания углерода. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи собрали библиотеку органических оснований, содержащих азотистые центры sp2, включая пирадиновый, диазиновый, тиадизольный и азофрагменты.

«Находясь в окисленной форме, ни одно из этих соединений не проявляет сильного взаимодействия с CO2», — пишут исследователи в своей статье. «Однако их поведение при электровосстановлении и последующем окислении может быть существенно изменено присутствием CO2 в электролите».

Ли и его коллеги четко обрисовали механизм, который позволяет сорбентам на основе Льюиса улавливать углерод как в компьютерном моделировании, так и в экспериментах. Впоследствии они показали, что свойства этих сорбентов можно точно настроить (т.е. адаптировать для конкретных целей) с использованием методов молекулярного дизайна и электролитной инженерии. Путем точной настройки свойств созданных ими оснований Льюиса исследователи затем смогли идентифицировать особенно многообещающее основание Льюиса на основе бифункционального азопиридина.

«Мы выявили бифункциональное азопиридиновое основание, которое обещает электрохимически опосредованное улавливание углерода и демонстрирует эффективность использования мощности более 85% по сравнению с циклическим циклом в проточной системе с содержанием 15% углекислого газа и 5% кислорода», — написали Ли и его коллеги в своей статье. «Эта работа расширяет структурные рамки окислительно-восстановительных сорбентов диоксида углерода и дает рекомендации по созданию молекул с настраиваемой основностью в электрохимических условиях».

В будущем бифункциональное азопиридиновое основание, определенное Ли и его коллегами, может быть использовано для создания более энергоэффективных и эффективных технологий улавливания углерода. Кроме того, их работа может проложить путь к разработке других решений по улавливанию углерода на основе сорбентов на основе Льюиса.

Больше информации: Син Ли и др., Основания Льюиса с редокс-настройкой для электрохимического улавливания углекислого газа, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01137-z