Ученые из Национального университета Сингапура разработали новый материал для прямого улавливания углекислого газа из атмосферы. Это твердый сорбент в форме миллиметровых кубиков, способный поглощать CO2 в три раза эффективнее существующих аналогов.
Главная проблема современных систем прямого улавливания заключается в их громоздкости. Многие сорбенты существуют в виде порошка, который неудобен для промышленного использования. Такая форма создает высокое сопротивление потоку воздуха и быстро разрушается. Попытки превратить эти материалы в гранулы или блоки с помощью связующих веществ обычно приводят к потере эффективности. Добавки частично перекрывают поры, газ хуже проникает внутрь.
Сингапурские ученые нашли решение на уровне самой структуры материала. Они взяли особый нанопористый аморфный углерод, полученный методом искрового плазменного спекания. Это позволило сформировать прочный каркас с системой взаимосвязанных пор. Затем материал пропитали полиэтиленимином, который химически связывает CO2.
Ключевую роль сыграла трехмерная сеть пор, пронизывающая весь материал. В отличие от цилиндрических каналов обычных материалов, эта сетка не имеет тупиков, что позволяет газу свободно перемещаться даже после того, как поры оказываются заполнены активным веществом.
Чтобы придать материалу удобную форму, ученые смешали его с водой, небольшим количеством глины и карбоксиметилцеллюлозой. Полученную пасту отлили в кубики размером 2-5 миллиметров и высушили без дополнительного прессования. При этом молекулы связующего вещества оказались слишком крупными, чтобы проникнуть внутрь пор. Они фиксировали структуру снаружи, не мешая работе внутренней поверхности. Таким образом, материал сохранил высокую пористость и одновременно приобрел достаточную механическую прочность.
Испытания в условиях, близких к реальным, доказали, что такие кубики способны поглощать до 1,6 миллимоля CO2 на кубический сантиметр объема. Это более чем втрое превышает показатели промышленных сорбентов. При этом материал сохраняет стабильность. В ходе многократных циклов поглощения и регенерации его эффективность практически не снижается.
Высокие показатели объясняются оптимальной архитектурой пор. Их размер, составляющий около 4 нанометров, позволяет эффективно размещать молекулы полимера, не блокируя при этом доступ газа. Толщина слоя активного вещества насчитывает порядка 7 нанометров, чего достаточно для связывания CO2, но недостаточно для перекрытия каналов. В других материалах полимер часто скапливается на поверхности более толстым слоем и фактически запечатывает поры, снижая эффективность.
Разработанный материал сочетает высокую плотность, прочность и отличную диффузию газа. Такие сорбенты позволят создавать установки прямого улавливания размером с обычный контейнер вместо огромных ангаров, что сделает технологию доступной для массового применения.
