Материал, меняющий правила игры, открывает возможность недорогого улавливания углерода
ЦЮРИХ – Ученые представили революционно новый углеродный материал, который обещает радикально сократить затраты и энергетические потребности в технологии улавливания углерода, важнейшем компоненте глобальной борьбы с изменением климата. Опубликованная ранее в этом месяце, 24 октября 2023 года, в престижном журнале Advanced Materials, прорыв связан с новым материалом из графитового углерода, легированного азотом (NDGC), разработанным для беспрецедентной эффективности адсорбции и выделения CO2.
Исследовательская группа под руководством доктора Ани Шармы, химика по материалам Глобальной углеродной инициативы в Университете Цюриха, тщательно разработала расположение атомов азота внутри пористой углеродной структуры. Такая точная настройка позволяет материалу избирательно улавливать углекислый газ с поразительной эффективностью и, что особенно важно, высвобождать его, используя значительно меньше энергии, чем существующие технологии. Последствия промышленной декарбонизации огромны и потенциально могут изменить экономику борьбы с изменением климата.
Преимущество азота: точная инженерия для эффективности
Основная инновация заключается в особой конфигурации атомов азота в материале NDGC. «Мы обнаружили, что стратегически размещая атомы азота в определенных положениях в углеродной решетке, мы можем создавать молекулярные ловушки, которые очень селективны для CO2», — объясняет доктор Шарма. «Но по-настоящему меняет правила игры то, насколько слабо связывается CO2 в определенных условиях, что позволяет выделять невероятно мало энергии».
Традиционные методы улавливания углерода, часто основанные на растворителях на основе аминов, требуют высоких температур — обычно от 120 до 180 °C — для отделения уловленного CO2 для хранения или повторного использования. Этот энергоемкий процесс регенерации является основным источником затрат и серьезным препятствием на пути широкого внедрения. Однако материал NDGC, разработанный цюрихской командой, работает при удивительно низких температурах. «Один конкретный вариант нашего материала NDGC эффективно улавливает и выделяет CO2 при температуре ниже 60°C», — заявляет профессор Кенджи Танака, старший автор исследования и директор Глобальной углеродной инициативы. «Это означает, что его можно регенерировать, используя отходящее тепло промышленных процессов или даже солнечную тепловую энергию, что потенциально снизит энергетические потери, связанные с улавливанием углерода, на целых 75 %.
Преодоление текущих препятствий в области климатических технологий
Высокие эксплуатационные затраты, связанные с потреблением энергии, уже давно являются ахиллесовой пятой технологий улавливания, использования и хранения углерода (CCUS). Несмотря на срочность, подчеркнутую в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), и цели Парижского соглашения, экономическая жизнеспособность крупномасштабных проектов CCUS остается серьезным препятствием.
Этот новый материал NDGC напрямую решает эту проблему. Исследователи прогнозируют, что за счет резкого сокращения энергии, необходимой для выброса CO2, эксплуатационные затраты на улавливание углерода могут быть сокращены на 50-60% по сравнению с ведущими в настоящее время сорбентами. Лабораторные испытания, подробно описанные в их публикации, показали, что материал NDGC может улавливать до 92% CO2 из моделируемых промышленных дымовых газов, демонстрируя как его эффективность, так и его потенциал для реального применения. «Это не просто постепенное улучшение; это фундаментальный сдвиг в нашем подходе к энергетической экономике улавливания углерода», — добавляет доктор Шарма. «Это делает ранее нерентабельные проекты внезапно жизнеспособными, открывая новые пути для декарбонизации таких отраслей, как цементная, сталелитейная и энергетическая».
От лаборатории к большим масштабам: путь вперед
Хотя результаты лабораторных исследований весьма многообещающи, путь от открытия к промышленному внедрению требует значительных шагов. В настоящее время исследовательская группа сосредоточена на расширении производства материала NDGC и оптимизации его характеристик для непрерывной и долгосрочной эксплуатации в сложных промышленных условиях. Первоначальные оценки показывают, что пилотные проекты, демонстрирующие эту технологию, реально могут начаться в течение следующих двух-трех лет, а более широкое промышленное внедрение возможно в течение пяти-семи лет.
Потенциальное воздействие выходит за рамки простой экономии средств. Позволяя использовать отходящее тепло, эта технология может еще больше снизить общий углеродный след промышленных предприятий, способствуя развитию экономики замкнутого цикла. В то время как мировые лидеры сталкиваются с огромной проблемой ограничения глобального потепления на 1,5°C выше доиндустриального уровня, такие инновации, как материал NDGC, предлагают новый мощный инструмент в арсенале. Проект команды Цюрихского университета по климатическим технологиям следующего поколения вполне может стать катализатором, необходимым для ускорения внедрения доступных и эффективных решений по улавливанию углерода во всем мире.
