DEKARBONIZACE
SVĚTLEM AKTIVOVANÁ KYSELINA POHÁNÍ ENERGETICKY ÚČINNÉ UVOLŇOVÁNÍ ZACHYCENÉHO CO 2
Vědci z Oddělení energetiky na Oak Ridge National Laboratory našli nový způsob, jak pomocí světla namísto tepla uvolnit oxid uhličitý z rozpouštědla, které se používá k zachycení to- hoto skleníkového plynu při přímém zachycování ze vzduchu (DAC, direct air capture). Tento nový přístup otevírá cestu k ekonomicky výhodnému oddělování CO 2 z atmosféry. Řízené uvolňování oxidu uhličitého je možné díky tomu, že dlouho žijící excitovaný stav nové kyseliny řídí koncentraci protonů v roztoku po- mocí ultrafialového světla, čímž vytváří pod- mínky, které vedou k energeticky účinnému uvolňování CO 2 . Naproti tomu současné technologie DAC filtrují vzduch přes vodný roztok obsahující sorbční materiál, jako je aminokyselina, který zachycuje atmosférický CO 2 a zadržuje ho. Zahříváním rozpouštědla se CO 2 uvolňuje a aminokyselina se regeneruje pro recyklaci. CO 2 lze buď skladovat, nebo přeměnit na produkty s přidanou hodnotou, jako je etanol, polymery nebo beton. „ Ve stávajících technologiích přímého zachy- cování vzduchu jsou uvolňování CO 2 a rege- nerace sorbentu energeticky nejnáročnějšími kroky,“ uvedl chemik z ORNL Yingzhong Ma, který spolu s kolegy z ORNL Radu Custelceanem a Uvindunim Premadasou vedl studii publikova- nou v časopise Angewandte Chemie International Edition. „Cílem je využít sorbent z aminokyselin, který je recyklovatelný a má mnoho atraktivních vlastností, v kombinaci s energeticky účinněj- ším přístupem k uvolňování CO 2 a regeneraci sorbentu. “ Národní akademie věd došla k závěru, že technologie DAC mohou přispět k odstranění miliard tun CO 2 z atmosféry ročně, což pomůže omezit nárůst průměrné globální teploty na méně než 2 stupně Celsia. Avšak intenzivní energetické náklady spojené s regenerací sorbentu a uvolňováním CO 2 v měřítku, které by zmírnilo změnu klimatu, činí z takového masivního nasazení velkou výzvu vyžadující vývoj nových procesů DAC. Přístup ORNL ověřil použití ozařování ultrafialovým světlem za okolních podmínek namísto zahřívání roz- toku k uvolnění CO 2 a regeneraci sorbentu. „ Zahřívání vodných roztoků je běžnou rege- nerační metodou, ale je velmi energeticky ná- ročné, “ řekl Custelcean, průkopník v oblasti DAC. „ Chtěli jsme z rovnice odstranit teplo. “ Custelcean vedl v roce 2017 studii, která prokázala, že guanidinový sorbent může přímo zachycovat CO 2 ze vzduchu. V roce 2018 spolu s kolegy demonstroval praktickou, energeticky účinnou metodu DAC využívající sluneční teplo k uvolňování skleníkového plynu z aminokyse- linového sorbentu. V letošním roce si tuto tech- nologii licencoval startup Holocene se sídlem v Knoxville, aby ji připravil pro průmyslové nasazení.
V tomto novém vývoji je klíčem k uvolňování CO 2 za okolních podmínek fotokyselina, což je molekula, která absorpcí světla zvyšuje svou kyselost. Když posvítíte na kyselinu, jako je ocet, nic se nestane. Naproti tomu vystavte foto- kyselinu ultrafialovému nebo viditelnému světlu a chemická skupina uprostřed kyseliny se otočí z opačné strany vazby na stejnou stranu. Ná- sledná reakce vytvoří kruh, což vede k přenosu protonu nebo vodíkového iontu do vodného rozpouštědla. Tento přenos dramaticky zvy- šuje kyselost roztoku a způsobuje výkyv pH. Přebytečné protony nyní mohou interagovat s hydrogenuhličitanem (HCO 3 - ), který vznikl při reakci CO 2 se sorbentem. Hydrogenuhliči- tan přijme proton a stane se kyselinou uhliči- tou, která je už jen jeden energeticky výhodný krok od oxidu uhličitého a vody. „ Tento článek popisuje první případ, kdy byl prokázán makroskopický výkyv pH trvající od několika minut do několika hodin za použití světla jako vnějšího spouštěče pro zahájení reakce regenerace CO 2 , “ uvedl Vjačeslav „Slava“ Bry- antsev, vedoucí skupiny chemických separací ORNL a spoluautor článku. „ Světlo můžete snadno zapínat a vypínat, abyste mohli reakci reverzibilně řídit, “ řekl Ma. „ Můžete zachytávat CO 2 ve tmě a pak jedno- duše zapnout světlo, když chcete uvolnit CO 2 pro skladování nebo pro výrobu produktů s přidanou hodnotou. To vám dává možnost snadno řídit proces, jak je zrovna třeba. “ Výzkumníci pro to potřebovali další trik. Běžné fotokyseliny by nefungovaly, protože doby života jejich excitovaných stavů jsou velmi krátké - pouhé nanosekundy. Ztrácejí protony, ale pak zůstávají většinou ve stejné konfiguraci. „ Pak změníte kyselost jen na krátkou dobu, “ řekl Bryantsev. Ma a Custelcean, kteří přišli s nápadem použít fotokyselinu k uvolňování CO 2 v apli- kacích DAC, narazili na tento problém, když začali experimentovat s komerčně dostupnou fotokyselinou. „ Při rozkladu kyseliny uhličité je její životnost ve vodě krátká, řádově několik sekund. Ale to je nekonečno ve srovnání s dobou života běžné foto- kyseliny, která je nanosekundy nebo miliardtiny sekundy, “ řekl Custelcean. „ Proto nelze tuto chemii provádět s běžnou fotokyselinou: Uvol- nění CO 2 z kyseliny uhličité trvá několik sekund, ale fotokyselině trvá jen nanosekundy, než si vezme proton zpět. “ Bryantsev přišel s nápadem vyzkoušet jinou třídu fotokyselin s dlouhotrvajícím excitovaným stavem. Nazývá se metastabilní fotokyselina a má strukturu, která v roztoku přetrvává od ně- kolika sekund do několika hodin. To znamená, že změna pH vyvolaná strukturní změnou fotokyse- liny trvá také mnohem déle. Vědci přizvali do týmu odborníka na návrh
a syntézu fotokyselin. Yi Liao z Floridského technologického institutu byl průkopníkem nové třídy fotokyselin v metastabilním stavu již kolem roku 2015, ale pro jiné účely než DAC. „ Poté, co jsme od našeho spolupracovníka zí- skali tuto fotokyselinu, jsme skutečně dosáhli průlomu, “ řekl Ma. Custelcean souhlasil. „ Díky tomu, že jsme měli fotokyselinu v metastabilním stavu, jsme měli dostatek času na uvolnění protonu a vytvoření kyseliny uhličité. Kyselina uhličitá pak měla čas uvolnit CO 2 ve vodě. Jakmile se tak stane, CO 2 z roztoku odejde, “ dodal. První autor práce Premadasa spolu s Maem navrhl a provedl experimenty pro ověření kon- cepce s použitím fotokyseliny v metastabilním stavu, kterou syntetizoval Liao a jeho kolega z floridské techniky Adnan Elgattar, a násled- nou spektroskopickou charakterizaci provedli Benjamin Doughty a Vera Bocharová z ORNL. „ Jakmile jsme zjistili fotochemické vlast- nosti samotné kyseliny, naším dalším krokem bylo otestovat její použitelnost pro uvolňování CO 2 s různými sorbenty DAC, “ řekl Premadasa. „ Můžeme snadno manipulovat s chemickým složením a intenzitou a barvou světla, abychom řídili fotoreakci pro účinné uvolňování CO 2 . “ Audrey Milesová z University of Notre Dame a Stella Belonyová z University of Florida, které v době studie absolvovaly stáž v laboratoři DOE Science Undergraduate Laboratory, testovaly fotokyselinu za různých podmínek, aby zjistily její schopnost uvolňovat CO 2 . Michelle Kidde- rová, Diana Stambergaová a Joshua Damron z ORNL pak měřili množství CO 2 uvolněného za těchto různých podmínek. Vývoj technologie DAC aktivované světlem v ORNL stále stojí před mnoha výzvami. Jedním z nich je pochopení dynamiky, kterou fotokyse- lina vytváří chemický komplex se sorbentem aminokyseliny. Další je zlepšení rozpustnosti sloučenin ve vodě a optimalizace absorpce světla z viditelného spektra. Kromě toho by vědci rádi zkrátili dobu potřebnou k regeneraci fotokyseliny a zlepšili pochopení její dlouho- dobé stability. Bez ohledu na to je budoucnost fotokyselin v metastabilním stavu jasná. „ Naše studie otevírá cestu k fotochemicky řízeným přístupům k uvolňování CO 2 a regeneraci sorbentu pomocí slunečního světla, “ řekl Premadasa. Název původní práce je „Photochemically- -Driven CO 2 Release Using a Metastable-State Photoacid for Energy Efficient Direct Air Capture“. www.ornl.gov/news/light-activated-acid-drives- -energy-efficient-demand-release-captured-co2
41
CHEMAGAZÍN • 6 / XXXIII (2023)
Made with FlippingBook Digital Publishing Software