Polsko-niemiecki zespół naukowców z udziałem badaczy Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie przeprowadził zaawansowane badania nad właściwościami CALF-20 – nowoczesnej metaloorganicznej struktury szkieletowej na bazie cynku. Materiał ten wykazuje wyjątkową skuteczność w wychwytywaniu dwutlenku węgla, również w obecności pary wodnej.
CALF-20 wyróżnia się wysoce uporządkowaną strukturą porowatą, przypominającą sieć połączonych tuneli w gąbce. Kluczową rolę odgrywa tutaj zjawisko adsorpcji – proces, w którym cząsteczki gazu przywierają do powierzchni ciała stałego. Dzięki specyficznej architekturze porów, CALF-20 umożliwia selektywne zatrzymywanie cząsteczek CO₂ – zostają one uwięzione w materiale. Co ważne, materiał ten preferencyjnie adsorbuje dwutlenek węgla, jednocześnie ograniczając pochłanianie cząsteczek wody – co wciąż stanowi jedno z głównych wyzwań dla materiałów adsorpcyjnych stosowanych w przemyśle. W przypadku zastosowań przemysłowych gazy technologiczne zazwyczaj zawierają pewien poziom wilgotności, co często utrudnia skuteczne usuwanie z nich CO₂.
Polsko-niemiecki zespół naukowców przeprowadził zaawansowane badania nad właściwościami CALF-20. W projekcie brali udział uczeni z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf oraz Technische Universität Dresden.
– Aby zrozumieć dokładnie mechanizmy działania CALF-20, wykorzystaliśmy szereg zaawansowanych technik eksperymentalnych, takich jak spektroskopia czasu życia anihilacji pozytonów (PALS), dyfrakcja rentgenowska proszkowa in situ (PXRD) oraz izotermy adsorpcji gazów. Dzięki tym narzędziom możliwe było odtworzenie tego, w jaki sposób cząsteczki CO₂ wnikają do porów materiału i oddziałują z jego strukturą – zarówno w zróżnicowanych temperaturach, jak i przy zmieniającym się poziomie wilgotności – wyjaśnia dr Ahmed Atallah z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.
Naukowcy podkreślają, że kluczowe znaczenie miała technika PALS, która pozwala na detekcję i analizę pustych przestrzeni w materiałach porowatych.
– Ta technika mierzy czas życia pozytu, tj. związanego stanu pozytonu i elektronu, który jest bardzo czułym próbnikiem lokalnych pustych przestrzeni w materiałach podczas ich wypełniania. Obserwacje pokazały, że cząsteczki CO₂ najpierw gromadzą się w centralnych partiach nanoporów, po czym zaczynają przylegać do ich ścianek. Co ciekawe, nawet po niemal całkowitym nasyceniu materiału gazem, w strukturze CALF-20 wciąż pozostają niewielkie, wolne objętości, które mogą dodatkowo zwiększać efektywność wychwytu – tłumaczy dr hab. Radosław Zaleski z Instytutu Fizyki na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej.
Zdaniem badaczy biorących udział w projekcie, odporność materiału na obecność wilgoci stanowi jego istotny atut.
– W warunkach niskiej wilgotności cząsteczki wody tworzą izolowane skupiska, nie zakłócając znacząco działania porów. Wraz ze wzrostem wilgotności zaczynają jednak tworzyć sieci wiązań wodorowych, które mogą częściowo ograniczać dostęp do wnętrza materiału. Pomimo tego, CALF-20 zachowuje wysoką efektywność adsorpcyjną nawet przy wilgotności względnej sięgającej 40%, co odpowiada poziomowi dla wielu zastosowań przemysłowych, takich jak spaliny z elektrowni – podsumowuje prof. Stefan Kaskel z Technische Universität Dresden.
Dodatkową zaletą CALF-20 są jego korzystne właściwości energetyczne oraz łatwość regeneracji. Te cechy przekładają się na niższe koszty eksploatacyjne w instalacjach wychwytujących CO₂, umożliwiając wykorzystanie materiału bez znaczącego spadku jego efektywności. Warto dodać, że materiał został już przeskalowany do produkcji masowej, co świadczy o jego dojrzałości technologicznej i potencjale do wdrożenia w rzeczywistych warunkach przemysłowych.
Wnioski płynące z przeprowadzonych badań nie tylko dostarczają cennej wiedzy na temat skutecznych metod redukcji emisji CO₂, ale także otwierają nowe perspektywy w projektowaniu kolejnych generacji materiałów MOF – lepiej dostosowanych do wymogów zmieniających się środowisk przemysłowych. Przyszłe prace zespołu badawczego będą koncentrować się na ocenie długoterminowej stabilności CALF-20 oraz na integracji materiału z istniejącymi systemami wychwytu CO₂ w skali przemysłowej. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Small”.
MK, źródło: UMCS