חומרים חדשים מסוגלים ללכוד באופן בררני פחמן דו-חמצני

הממצאים יובילו להקמת תחנות כוח שילכדו באופן מוצלח יותר את הפחמן הדו חמצני ופחות ממנו ישוחרר לאטמוספירה

כימאים מאוניברסיטת UCLA מדווחים על התקדמות משמעותית בהפחתת הפליטה של גז החממה פחמן דו-חמצני בכתב-העת “Science” בגיליון ה-15.02.2008.

המדענים הדגימו כיצד הם יכולים באופן מוצלח לבודד וללכוד פחמן דו-חמצני, גז חממה התורם להתחממות כדור הארץ, לעליית מפלס הים ולהגברת חומציות האוקיינוסים. הממצאים שלהם יוכלו להוביל להקמת תחנות-כוח אשר ילכדו באופן מוצלח ובטיחותי את הפחמן הדו-חמצני המשתחרר לאוויר ללא שימוש בחומרים רעילים. “הצלחנו להתגבר על האתגר הטכני בסילוק בררני של פחמן דו-חמצני,” אומרים עומאר מ. יאג'י והפרופסור לכימיה כריסטופר פוט, מחבריהם של המאמר.

“עתה יש לנו מבנים שניתן לתכננם כך שילכדו באופן בררני ומדויק פחמן דו-חמצני וישמרו אותו במעין מאגר. שום כמות של הגז לא בורחת ממנו, אומרים החוקרים. דבר לא בורח – אלא אם כן תרצה בכך. אנו מאמינים כי זוהי נקודת-מפנה בלכידת הגז המזיק לפני הגעתו לאטמוספרה.” הגז נלכד באמצעות שימוש במשפחה חדשה של חומרים שפותחו ע”י החוקרים ונקראים “שלדות אימידאזולאטים זאוליטיים” או בקיצור ZIFs (Zeolitic Imidazolate Frameworks).

“זאוליטים” הם מחצבים אלומינו-סיליקטיים טבעיים וסינתטיים המצטיינים בתכונות חילוף יונים. הם משמשים לריכוך מים ולטיהור חומרים אורגניים. בעלי מבנה גבישי פתוח ומשמשים כחלות-דבש מולקולאריות. החומרים החדשים שפותחו הם מבנים נקבוביים ויציבים כימית, בעלי שטח פנים נרחב ואפשר לחממם לטמפרטורות גבוהות ללא התפרקות שלהם ולהרתיחם במים או בממסים אורגאניים למשך כשבוע שלם תוך שמירת יציבותם הכימית. שני הכימאים במעבדתו, אחד בתר-דוקטור והשני מוסמך סינתזו 25 מבנים שונים כאלו והדגימו בהצלחה כ שלושה מהם הראו בררנות גבוהה ביותר בלכידת פחמן דו-חמצני: ZIF-68, ZIF-69, ZIF-70. “בררנות זו של המבנים הללו לפחמן דו-חמצני אינה משתווה לאף חומר ידוע אחר,” אומר יאג'י – חבר ב”מכון קליפורניה לננומערכות” באוניברסיטת UCLA.

“שני הסינתטיקאים שלי כל כך הצליחו בהכנת המבנים החדשים עד כדי כך שלשם דיווח על התוצאות נאלצתי לבקש מהם להאט את הקצב.” בתוככי המבנים הללו ניתן לאגור פרודות של גז. “מכסים” המתפקדים כמקבילה הכימית של דלת-מסתובבת מאפשרים לסוג מסוים של פרודות – במקרה הזה, פחמן דו-חמצני – לעבור דרכם אל תוככי המאגר בעוד פרודות גדולות יותר או בעלות מבנים אחרים נחסמות. “אנו מסוגלים לסרוק ולבחור בסוג האחד של הפרודות שאותו אנו מעוניינים ללכוד,” אומר החוקר הראשי. “היופי של הכימיה הזו טמון בעובדה שיש לנו את החרות לבחור מהו סוג הדלת הנדרשת לנו ולשלוט ברכיבים העוברים דרכה.” “לכידת הפחמן הדו-חמצני יוצרת אנרגיה “נקייה” יותר,” אומר החוקר. “ציפוי פנימי של ארובות המפעלים בחומרים החדשים הללו יוכל ללכוד את הפחמן הדו-חמצני בתוככי הנקבוביות לפני יציאתו החוצה לאוויר הפתוח.” בשלושת הזאוליטים החדשים המדענים רוקנו את הנקבוביות בשלב הראשון ליצירת מבנה חופשי. או אז הם הזרימו לתוך החומרים סילוני גזים – פחמן דו-חמצני ופחמן חד-חמצני, לדוגמא וסילון נוסף של פחמן דו-חמצני וחנקן – והצליחו להראות כי רק הפחמן הדו-חמצני נותר לכוד בחומר. כעת בוחנים המדענים זאוליטים דומים למגוון יישומים אחרים. בנוסף להיותו גז-חממה, פחמן דו-חמצני גורם לתמותה של שוניות אלמוגים ויצורים ימיים אחרים, נזק חמור ובלתי-הפיך למשך מאות בשנים, מוסיף החוקר הראשי.

כיום, התהליכים להפחתה בפליטת פחמן דו-חמצני ממפעלים מורכב גם מחומרים רעילים בחלקם ודורש כ- 20 עד 30 אחוזים מאנרגיית המפעל. בניגוד לכך, החומרים החדשים יכולים להרחיק פחמן דו-חמצני מגזים אחרים הנפלטים החוצה ומסוגלים לאגור כמות שהיא פי חמישה מהכמות שחומרים נקבוביים אחרים, המתקדמים ביותר בתחום זה, מסוגלים לאגור. “בכל ליטר של החומר הזה אפשר לאגור כמות של 83 ליטרים של פחמן דו-חמצני,” אומר החוקר. ברמה הבסיסית ביותר, פיתוח החומרים הללו מתייחס גם לשני אתגרים רציניים במדע הזאוליטים. זאוליטים הם מינראלים נקבוביים ויציבים המורכבים מאטומי אלומיניום, סיליקון וחמצן ואשר משמשים בתעשיית זיקוק נפט, בחומרי-ניקוי ומוצרים נוספים. קבוצת המחקר הצליחה להחליף את אטומי האלומיניום והסיליקון ביונים מתכתיים כגון אבץ וקובאלט, ואת אטומי החמצן המגשרים ביניהם בתרכובת הקרויה אימידאזולאט ליצירת החומרים החדשים, שניתנים לבנייה בהתאם לתפקוד או הצורה הנדרשים למדענים.

שני הכימאים האחראיים לסינתזת החומרים אף הצליחו להפוך את התהליך כולו לאוטומאטי. במקום לערבב את המגיבים בכל שלב בנפרד ולקבל, במקרה הטוב, תגובות אחדות בכל יום, הם הצליחו לבנות הליך של 200 תגובות נפרדות בפחות משעה אחת. זוג הכימאים הריצו 9,600 מיקרו-תגובות מסוג זה ומתוכן הצליחו לגלות 25 מבנים חדשים לחלוטין. “אנו ממשיכים ליצור מבנים חדשים כאלו בכל יום נוסף,” אומר ראש הקבוצה. “מתגובות אלו מתקבלים גבישים הנראים יפים וזוהרים בדיוק כמו יהלומים.”

בתחילת שנות ה-90, המציא יאג'י סוג נוסף של חומרים חדשים הקרויים “שלדות אורגנו-מתכתיות” (Metal-Organic Frameworks, MOFs) ושתוארו כ”ספוגים גבישיים” ומשמשים אף הן לאנרגיה נקייה. בדומה לזאוליטים, גם לחומרים אלו יש נקבוביות בעלות מימדים ננמוטריים והם מסוגלים לאגור בתוכם גזים שבאופן אחר קשה להעביר אותם ממקום למקום. מעבדתו של יאג'י ייצרה כבר מספר מאות חומרים כאלו בעלי מגוון תכונות ומבנים.

לידיעה באתר סיינס-דיילי