Один из самых распространённых наноматериалов на Земле — глина — способствует прорывам в борьбе с изменением климата. В новом исследовании учёные из Университета Пердью в сотрудничестве с экспертами из национальных лабораторий Сандия, возможно, обнаружили революционный метод использования глины для улавливания углекислого газа (CO₂) непосредственно из воздуха. Это поможет смягчить последствия изменения климата.
Их работа, принёсшая им награду R&D 100 в 2024 году и находящаяся в процессе подачи заявки на патент, была недавно опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry C.
Клифф Джонстон, профессор агрономии в Колледже сельского хозяйства и наук о Земле, атмосфере и планетах в Колледже наук Университета Пердью, возглавлял исследование вместе со студентом бакалавриата Райли Уэлшем и научными сотрудниками национальных лабораторий Сандия, которые являются соавторами недавнего исследования.
Это исследование может расширить портфель абсорбирующих материалов для решения одной из самых сложных проблем планеты. Глина может стать недорогим, доступным и распространённым ресурсом для поглощения углекислого газа из воздуха и мощным инструментом в борьбе с изменением климата.
Джонстон и его исследовательская группа в Университете Пердью и команда из национальных лабораторий Сандия уже более 30 лет изучают, что заставляет глинистые минералы работать.
«Глинистые минералы имеют исключительно большую площадь поверхности, — сказал Джонстон. — Одна столовая ложка глины имеет примерно такую же площадь поверхности, как футбольное поле. Большая часть этой площади поверхности находится во внутренних порах глины. В течение десятилетий исследований мы обнаружили, что эти внутренние поры имеют полярные и неполярные области. Молекулы, подобные CO₂, предпочитают неполярные области, тогда как водяной пар предпочитает полярные области. Выбрав определённые типы глины и управляя их ионной структурой, мы можем оптимизировать материалы для поглощения CO₂».
Команда изучает группу глин, называемых смектитами, которые имеют большую внутреннюю площадь поверхности и являются одними из наиболее распространённых природных наноматериалов на планете. Их изобилие и размер делают смектиты перспективными кандидатами для крупномасштабных экологических решений.
Команда Джонстона имеет большой опыт изучения того, как смектиты поглощают токсичные органические загрязнители из воды.
«Наша предыдущая работа была сосредоточена на поглощении токсичных органических загрязнителей глинистыми минералами из водных растворов, и мы обнаружили, что определённые типы смектитов имеют гидрофобные поверхности и могут поглощать значительные уровни гидрофобных загрязнителей, таких как 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, одно из самых токсичных органических соединений, известных», — сказал Джонстон. Основными источниками диоксинов являются непреднамеренные побочные продукты горения и промышленного производства, они являются распространёнными загрязнителями, обнаруженными на объектах Суперфонда.
Заложив прочную основу, команда планирует разработать решения для неотложной глобальной проблемы улавливания углекислого газа с использованием широко доступных и доступных геосорбентов.
В последние годы исследователи во всём мире изучали взаимодействие глины и углекислого газа в экстремальных условиях, таких как высокие температуры и давление, или посредством прямого улавливания воздуха с использованием передовых материалов, таких как цеолиты, мезопористый кремнезём, металлоорганические каркасы и адсорбенты на основе оксидов металлов. Например, на заводе Climeworks Orca в Исландии используются уникальные твёрдые сорбенты на основе аминов для улавливания углекислого газа из воздуха. Однако глинистые минералы до сих пор не рассматривались как перспективные сорбенты.
Исследователи сосредоточились на конкретном смектите, называемом сапонитом. Они изучили, как сапонит взаимодействует с углекислым газом и водяным паром, конкурирующими за пространство в крошечных внутренних порах глины. В отличие от прошлых исследований, в которых для поглощения углекислого газа глиной повышали температуру, исследователи использовали влажность. Они обнаружили, что сапонит демонстрирует высокое сродство к углекислому газу при низких уровнях влажности, что они подтвердили с помощью продвинутого спектроскопического и гравиметрического анализа.
Это исследование — первое, в котором сообщается об одновременном поглощении углекислого газа и водяного пара глинистым минералом при естественных концентрациях углекислого газа. Оно даёт ценную информацию о том, как можно использовать эти распространённые ресурсы для более эффективного улавливания углерода.
Предоставлено Университетом Пердью.