Vanadiumonderzoek boekt cruciale vooruitgang bij het vastleggen van koolstof uit de lucht

By | February 13, 2024

Dit artikel is beoordeeld in overeenstemming met het redactionele proces en de richtlijnen van Science X. De redactie heeft de volgende kenmerken benadrukt en tegelijkertijd de geloofwaardigheid van de inhoud gewaarborgd:

op feiten gecontroleerd

betrouwbare bron

Proeflezen


Vanadium, een van de CO2 Leg materialen vast die een schitterende, dieppaarse kleur vertonen. Fotocredit: May Nyman, hoogleraar scheikunde, OSU College of Science

× dichtbij


Vanadium, een van de CO2 Leg materialen vast die een schitterende, dieppaarse kleur vertonen. Fotocredit: May Nyman, hoogleraar scheikunde, OSU College of Science

Een chemisch element dat zo visueel opvallend is dat het naar een godin is vernoemd, heeft een ‘Goudlokje’-reactiviteit – niet te veel en niet te weinig – waardoor het een goede kandidaat is voor koolstofzuivering.

Het element is vanadium en onderzoek door wetenschappers van de Oregon State University is gepubliceerd in Chemische wetenschapheeft het vermogen aangetoond van vanadiumperoxidemoleculen om te reageren met koolstofdioxide en deze te binden – een belangrijke stap in de richting van verbeterde technologieën voor het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer.

De studie maakt deel uit van een federaal initiatief van 24 miljoen dollar om nieuwe methoden te ontwikkelen voor directe luchtafvang (DAC) van kooldioxide, een broeikasgas dat wordt geproduceerd door de verbranding van fossiele brandstoffen en dat in verband wordt gebracht met klimaatverandering.

Over de hele wereld duiken planten op die koolstof uit de lucht filteren, maar ze staan ​​nog in de kinderschoenen. Technologieën voor het verminderen van kooldioxide op de plaats waar het in de atmosfeer terechtkomt, bijvoorbeeld in energiecentrales, zijn verder ontwikkeld. Wetenschappers zeggen dat beide soorten koolstofafvang waarschijnlijk nodig zullen zijn als de aarde de ergste gevolgen van de klimaatverandering wil vermijden.

In 2021 werd May Nyman uit Oregon State, Terence Bradshaw, hoogleraar scheikunde aan het College of Science, geselecteerd om leiding te geven aan een van de negen directe luchtafvangprojecten die werden gefinancierd door het ministerie van Energie. Haar team onderzoekt hoe sommige overgangsmetaalcomplexen kunnen reageren met lucht om koolstofdioxide te verwijderen en om te zetten in een metaalcarbonaat, vergelijkbaar met wat wordt aangetroffen in veel natuurlijk voorkomende mineralen.

Overgangsmetalen bevinden zich nabij het midden van het periodiek systeem en ontlenen hun naam aan de overgang van elektronen van lage energietoestanden naar hoge energietoestanden en weer terug, waardoor karakteristieke kleuren ontstaan. Voor dit onderzoek kwamen wetenschappers uit op vanadium, genoemd naar Vanadis, de Oudnoorse naam van de Scandinavische godin van de liefde, die zo mooi zou zijn dat haar tranen in goud veranderden.

Nyman legt uit dat koolstofdioxide in de atmosfeer aanwezig is met een dichtheid van 400 delen per miljoen. Dit betekent dat van de miljoen luchtmoleculen er 400 koolstofdioxide zijn, oftewel 0,04%.

“Een uitdaging bij directe luchtdetectie is het vinden van moleculen of materialen die selectief genoeg zijn, anders kunnen andere reacties met meer gebruikelijke luchtmoleculen, zoals B. Reacties met water presteren beter dan de reactie met CO.”2zei Nyman. “Ons team heeft een reeks moleculen gesynthetiseerd die drie delen bevatten die belangrijk zijn voor het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer, en ze werken samen.”

Eén deel was vanadium, dat zijn naam kreeg vanwege de verscheidenheid aan prachtige kleuren die het kan vertonen, en een ander deel was peroxide, dat zich aan het vanadium hechtte. Omdat een vanadiumperoxidemolecuul negatief geladen is, zijn alkalische kationen nodig om de lading in evenwicht te brengen, zei Nyman, en de onderzoekers gebruikten voor dit onderzoek kalium-, rubidium- en cesium-alkalikationen.

Ze voegde eraan toe dat werknemers ook probeerden vanadium te vervangen door andere metalen uit dezelfde buurt in het periodiek systeem.

“Wolfraam, niobium en tantaal waren niet zo effectief in deze chemische vorm,” zei Nyman. “Aan de andere kant was molybdeen zo reactief dat het soms ontplofte.”

Bovendien vervingen de wetenschappers de alkaliën door ammonium en tetramethylammonium, waarbij de eerste licht zuur was. Deze verbindingen reageerden helemaal niet, een mysterie dat onderzoekers nog steeds proberen op te lossen.

“En toen we het peroxide verwijderden, was de reactiviteit weer niet zo groot”, zei Nyman. “In die zin is vanadiumperoxide een prachtige, paarse goudlokje dat goudkleurig wordt bij blootstelling aan lucht en zich bindt aan een koolstofdioxidemolecuul.”

Ze wijst erop dat een andere waardevolle eigenschap van vanadium is dat het de relatief lage afgiftetemperatuur van ongeveer 200 °C voor het opgevangen kooldioxide mogelijk maakt.

“Dat is te vergelijken met bijna 700°C wanneer het gebonden is aan kalium, lithium of natrium, andere metalen die gebruikt worden om koolstof vast te leggen,” zei ze. “In staat zijn om de opgesloten CO vrij te laten2 maakt het mogelijk dat de koolstofafvangmaterialen worden hergebruikt. Hoe lager de benodigde temperatuur, hoe minder energie er nodig is en hoe lager de kosten. Er zijn een aantal zeer slimme ideeën voor het hergebruiken van afgevangen koolstof die al worden geïmplementeerd, zoals het sturen van afgevangen CO via pijpleidingen2 naar een kas om planten te kweken.

Andere auteurs van de staat Oregon op het papier waren onder meer Tim Zuehlsdorff, assistent-professor theoretische / fysische chemie, en postdoctoraal onderzoeker Eduard Garrido.

“Ik ben ook erg trots op het harde werk van de afgestudeerde studenten in mijn laboratorium, Zhiwei Mao en Karlie Bach, en afgestudeerde student Taylor Linsday”, zei Nyman. “Dit is een compleet nieuw gebied voor mijn laboratorium en ook voor Tim Zuehlsdorff, die afgestudeerde student Jacob Hirschi begeleidde bij de computationele studies om de reactiemechanismen te verklaren. Het starten van een nieuw onderzoeksveld brengt veel onzekerheden met zich mee.”

Meer informatie:
Eduard Garrido Ribó et al., Implementatie van vanadiumperoxiden als materialen voor directe koolstofafvang in de lucht, Chemische wetenschap (2023). DOI: 10.1039/D3SC05381D

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *