Forskare vid University of Virginia School of Engineering and Applied Science har kommit på hur man kan ta ett mirakelmaterial, ett material som kan utvinna värde ur infångad koldioxid, och göra det som ingen annan har gjort: göra det praktiskt att tillverka för storskalig användning.
Genombrottet från Gaurav ”Gino” Giri, biträdande professor i kemiteknik, har betydelse för reningen av växthusgasen, som är en viktig bidragande orsak till klimatförändringarna. Det kan också bidra till att lösa världens energibehov.
Ämnet, som kallas MOF-525, ingår i en klass av material som kallas metallorganiska ramverk.
”Om man kan få dessa MOF:er att täcka stora områden blir nya tillämpningar möjliga, som att tillverka ett membran för koldioxidavskiljning och elektrokatalytisk omvandling i ett och samma system”, säger Giri.
Elektrokatalytisk omvandling skapar en bro från förnybara energikällor till direkt kemisk syntes, vilket gör att förbränning av koldioxidproducerande fossila bränslen inte behöver ingå i ekvationen.
Det som ger MOF:er superkrafter är deras ultraporösa, kristallina strukturer – 3D-nätverk av små håligheter i nanoskala som skapar en enorm inre yta och fungerar som en svamp – som kan utformas för att fånga alla möjliga kemiska föreningar.
En banbrytande lösning
Giris grupp resonerade att de skulle ha bättre odds om de började med en i sig skalbar syntesteknik – lösningsklippning. De hade redan haft framgång med att klippa enklare MOF:er.
I Giri’s process blandas MOF-komponenterna i en lösning och sprids sedan över ett substrat med skjuvbladet. När lösningen avdunstar bildar de kemiska kopplingarna MOF:en som en tunn film på substratet. Genom att använda MOF-525 på detta sätt får man ett allt-i-ett-membran för att fånga in och omvandla kol.
”Ju större membran, desto större yta har du för reaktionen och desto mer produkt kan du få”, säger Prince Verma, som i december 2023 tar sin doktorsexamen i Giri’s laboratorium. ”Med den här processen kan du öka klippbladets bredd till vilken storlek du än behöver.”
Teamet valde CO2-konvertering för att demonstrera sin lösning för klippning eftersom koldioxidavskiljning används i stor utsträckning för att minska industriella utsläpp eller för att avlägsna det från atmosfären – men till en kostnad för operatörerna med minimal avkastning på investeringen: Koldioxid har ett lågt kommersiellt värde och lagras oftast på obestämd tid under jord.
Men med minimal energitillförsel, genom att använda elektricitet för att katalysera en reaktion, kan MOF-525 ta bort en syreatom för att göra kolmonoxid – en kemikalie som är värdefull för tillverkning av bränslen, läkemedel och andra produkter.
Forskarna publicerade sina resultat i American Chemical Societys tidskrift Applied Materials and Interfaces. Till arbetet bidrog också Connor A. Koellner, Hailey Hall, Meagan R. Phister, Kevin H. Stone, Asa W. Nichols, Ankit Dhakal och Earl Ashcraft.
Ytterligare information: Prince K. Verma et al, Solution Shearing of Zirconium (Zr)-Based Metal–Organic Frameworks NU-901 and MOF-525 Thin Films for Electrocatalytic Reduction Applications, ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c12011
