В период, когда глобальное потепление достигает критической точки, улавливание углекислого газа из атмосферы стало привлекательной "частью решения проблемы". Для этого исследователи из Кембриджского университета разработали своего рода "аккумулятор", который улавливает CO₂ по мере зарядки.
"Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 35 миллиардов тонн CO₂, и для ликвидации этих выбросов и преодоления климатического кризиса срочно необходимы решения", — говорится в заявлении Кембриджского университета о результатах работы ученых, опубликованном на сайте Eurakalert.
В документе с описанием проекта, опубликованном в журнале Nanoscale, исследователи отмечают, что по оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), углеродная нейтральность должна быть достигнута к 2050 году, если глобальное потепление будет ограничено 1,5 °C выше доиндустриального уровня.
Именно поэтому технологии по улавливанию углекислого газа (CO₂), уже находящегося в атмосфере, привлекают сегодня столь пристальное внимание. Методы существуют и даже уже внедряются. Восстановленный таким образом CO₂ может найти широкое применение. Недавно одна компания даже решила делать из него водку! Однако, объясняют академики, эти методы требуют большого количества энергии, а также являются дорогостоящими. Поэтому они хотели разработать решение, которое помогло бы преодолеть эти ограничения.
В результате их исследований был создан так называемый "суперконденсатор", который основан на существующем методе: суперконденсаторной качающейся адсорбции (SSA). В этом методе суперконденсатор, устройство, несколько похожее на аккумулятор (технически находящееся между конденсатором и стандартной батареей), поглощает углекислый газ, когда он находится под нагрузкой. Затем он высвобождает его, но контролируемым образом, позволяя извлечь и использовать.
Суперконденсатор состоит из двух электродов, положительно и отрицательно заряженных. Один из электродов подвергается воздействию газа, содержащего CO₂, а другой пропитывается электролитом. Когда электроды находятся под напряжением, CO₂ всасывается, в то время как другие газовые выбросы игнорируются (кислород, азот, вода и т.д.). Благодаря этому методу суперконденсатор одновременно улавливает углерод и накапливает энергию.
Новизна работы этих кембриджских исследователей заключается, прежде всего, в специфической особенности метода. Команда попробовала чередовать отрицательное и положительное напряжение, чтобы увеличить время зарядки, достигнутое в предыдущих экспериментах. Это изменение улучшило способность улавливать CO₂.
"Мы обнаружили, что, медленно меняя силу тока между электродами, мы можем улавливать вдвое больше CO₂, чем раньше", — говорит Александр Форс с химического факультета Кембриджа имени Юсуфа Хамида, возглавлявший исследование. Этот метод, однако, обеспечивает меньшую емкость: "Компромисс заключается в том, что суперконденсаторы не могут хранить столько энергии, сколько батареи, но для чего-то вроде улавливания углерода мы будем отдавать приоритет устойчивости", — говорит соавтор Грейс Мэпстоун.
Для этого устройство частично изготовлено из экологически чистых материалов, включая скорлупу кокосового ореха и морскую воду.
"Материалы, используемые для изготовления суперконденсаторов, дешевы и многочисленны. Электроды изготовлены из углерода, который получают из отходов скорлупы кокосовых орехов. Мы хотим использовать инертные материалы, которые не вредят окружающей среде и которые приходится реже утилизировать. Например, CO₂ растворяется в электролите на водной основе, который по сути является морской водой", — говорит исследователь.
В области улавливания углерода еще многое предстоит сделать, поскольку даже исследователи еще не до конца понимают происходящие процессы. Исраэль Темпрано, один из соавторов исследования, внес свой вклад в проект, разработав методику газового анализа для устройства. В технике используется датчик давления, реагирующий на изменение адсорбции газа в электрохимическом устройстве. Эти результаты помогают уточнить точный механизм, действующий внутри суперконденсатора при поглощении и высвобождении CO₂.
"Это очень новая область исследований, поэтому точный механизм работы суперконденсатора еще не известен", — говорит Исраэль Темпрано.