공기 중에서 탄소를 포집하는 것이 더욱 쉬워졌다.

인간이 생성하는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 것은 대기 온실 가스를 줄이고 지구 온난화를 늦추는 데 중요하지만, 오늘날의 탄소 포집 기술은 발전소 배기 가스와 같은 농축된 탄소 공급원에만 효과적입니다. 동일한 방법으로는 농도가 배기 가스보다 수백 배 낮은 주변 공기에서 이산화탄소를 효율적으로 포집할 수 없습니다.

그러나 DAC(Direct Air Capture)는 산업 혁명 이전 수준보다 50% 높은 426ppm에 도달한 CO 2 수준의 상승을 역전시킬 것으로 기대되고 있습니다. 기후 변화에 관한 정부 간 패널에 따르면 DAC 없이는 인류가 기존의 지구 평균보다 1.5°C(2.7°F)로 온난화를 제한한다는 목표를 달성할 수 없습니다.

캘리포니아 대학교 버클리의 화학자들이 개발한 새로운 유형의 흡수 소재는 세계를 부정적인 배출로 이끄는 데 도움이 될 수 있습니다. 다공성 소재인 공유 결합 유기 골격(COF)은 기존 DAC 기술의 한계 중 하나인 물이나 기타 오염 물질에 의한 분해 없이 주변 공기에서 CO 2를 포집합니다.

"우리는 이 물질의 분말을 튜브에 넣고 버클리 공기(바로 실외 공기)를 물질에 통과시켜 어떤 성능을 보이는지 확인했는데, 정말 아름다웠습니다. 공기에서 CO 2를 완전히 제거했습니다 ." UC 버클리의 화학과 James and Neeltje Tretter 교수이자 10월 23일 저널 Nature에 온라인으로 게재될 논문의 수석 저자인 오마르 야기의 말입니다.

"저는 그것에 대해 흥분합니다. 성능 면에서 그것과 비슷한 것이 없기 때문입니다. 그것은 기후 문제를 해결하려는 우리의 노력에 새로운 길을 열었습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

야기에 따르면, 이 새로운 물질은 정유소 배출물에서 CO 2를 제거하고 대기 중 CO 2를 포집하여 지하에 저장하기 위해 이미 배치되었거나 시범적으로 시행 중인 탄소 포집 시스템에 쉽게 대체될 수 있습니다.

논문의 첫 번째 저자인 캘리포니아 대학교 버클리 대학원생 지우이 저우에 따르면, 단 200그램(약 0.5파운드)의 물질이 나무 한 그루(20킬로그램, 44파운드)만큼의 CO2를 1년에 흡수할 수 있다고 합니다.

"연기 가스 포집은 대기 중으로 CO 2를 방출하지 않으려 하기 때문에 기후 변화를 늦추는 방법입니다 . 직접 공기 포집은 100년 이상 전으로 돌아가는 방법입니다." 저우가 말했다. "현재 대기 중 CO 2 농도는 420ppm 이상이지만, 연기 가스 포집을 완전히 개발하고 적용하기 전에 500 또는 550으로 증가할 것입니다. 따라서 농도를 낮추고 400 또는 300ppm으로 돌아가려면 직접 공기 포집을 사용해야 합니다."

COF 대 MOF

야기는 COF와 MOF(금속 유기 골격)의 발명가로, 둘 다 규칙적으로 간격을 둔 내부 기공이 있는 단단한 결정 구조로, 가스가 달라붙거나 흡착할 수 있는 넓은 표면적을 제공합니다. 그와 그의 연구실에서 개발한 일부 MOF는 건조한 조건에서도 공기에서 물을 흡착할 수 있으며, 가열하면 마실 수 있는 물을 방출합니다. 그는 DAC가 대부분의 사람들의 레이더 화면에 나타나기 훨씬 전인 1990년대부터 탄소를 포집하는 MOF를 연구해 왔다고 말했습니다.

2년 전, 그의 연구실은 CO 2 를 흡착하는 매우 유망한 물질인 MOF-808을 만들었지 만, 연구자들은 수백 번의 흡착과 탈착 사이클을 거친 후 MOF가 분해된다는 것을 발견했습니다. 이 MOF는 내부에 아민(NH 2 그룹)으로 장식되어 있어 CO 2 를 효율적으로 결합 하고 탄소 포집 재료의 일반적인 구성 요소입니다. 사실, 지배적인 탄소 포집 방법은 배기 가스를 액체 아민을 통해 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 것입니다. 그러나 야기는 액체 아민의 에너지 집약적 재생과 휘발성이 추가 산업화를 방해한다고 지적했습니다.

야기는 동료들과 협력하여 일부 MOF가 DAC 응용 분야에서 분해되는 이유를 발견했습니다. 산성이 아닌 염기성 조건에서 불안정하고 아민은 염기입니다. 그와 저우가 독일과 시카고의 동료들과 협력하여 COF-999라고 부르는 더 강한 소재를 설계했습니다. MOF가 금속 원자에 의해 결합되는 반면, COF는 자연에서 가장 강력한 화학 결합 중 하나인 공유 탄소-탄소 및 탄소-질소 이중 결합에 의해 결합됩니다.

MOF-808의 경우와 마찬가지로 COF-999의 기공은 내부가 아민으로 장식되어 있어 더 많은 CO 2 분자를 흡수할 수 있습니다.

"공기에서 CO 2를 포집하는 것은 매우 어려운 문제입니다." 야기가 말했다. "에너지적으로 요구되며, 이산화탄소 용량이 높고, 선택성이 높고, 물에 안정적이며, 산화적으로 안정적이고, 재활용 가능한 재료가 필요합니다. 재생 온도가 낮아야 하고 확장 가능해야 합니다. 재료에 대한 어려운 요구입니다. 그리고 일반적으로 오늘날까지 배치된 것은 아민 용액인데, 이는 물에 아민이 있는 것을 기반으로 하기 때문에 에너지 집약적이며, 물은 가열하는 데 많은 에너지가 필요하거나 궁극적으로 시간이 지남에 따라 분해되는 고체 재료입니다."

야기와 그의 팀은 지난 20년 동안 산과 염기부터 물, 유황, 질소에 이르기까지 다른 다공성 고체 물질을 분해하는 오염 물질을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 백본을 가진 COF를 개발했습니다. COF-999는 아민기가 부착된 올레핀 폴리머 백본에서 조립됩니다. 다공성 물질이 형성되면 더 많은 아민으로 씻어내어 NH 2 에 부착 하고 기공 내부에 짧은 아민 폴리머를 형성합니다. 각 아민은 약 1개의 CO 2 분자를 포획할 수 있습니다.

400ppm CO 2 공기가 실온(25°C) 및 습도 50%에서 COF를 통해 펌핑되면 약 18분 만에 절반 용량에 도달하고 약 2시간 만에 채워집니다. 그러나 이는 샘플 형태에 따라 달라지며 최적화 시 1분당 몇 분의 1까지 빨라질 수 있습니다. 비교적 낮은 온도(60°C 또는 140°F)로 가열하면 CO 2가 방출되고 COF는 다시 CO 2를 흡착할 준비가 됩니다. 그램당 최대 2밀리몰의 CO 2를 보유할 수 있어 다른 고체 흡착제와 구별됩니다.

야기는 현재 내부 폴리아민 사슬에 있는 모든 아민이 CO 2를 포집하는 것은 아니므 로, 모공을 확대하여 두 배 이상 결합할 수 있을 것이라고 언급했습니다.

"이 COF는 화학적으로나 열적으로 안정된 강력한 백본을 가지고 있으며, 에너지가 덜 필요하고, 용량 손실 없이 100번의 사이클을 견딜 수 있다는 것을 보여주었습니다. 다른 어떤 재료도 그런 성능을 보이지 않았습니다." 야기가 말했습니다. "기본적으로 직접 공기를 포집하기에 가장 좋은 재료입니다."

야기는 인공 지능이 탄소 포집 또는 기타 목적을 위한 더욱 우수한 COF 및 MOF의 설계를 가속화하는 데 도움이 될 수 있다고 낙관하고 있으며, 특히 결정 구조를 합성하는 데 필요한 화학적 조건을 식별함으로써 그렇게 할 수 있다고 생각합니다. 그는 UC 버클리의 연구 센터인 지구를 위한 디지털 소재 바카르 연구소(BIDMaP)의 과학 책임자로, AI를 사용하여 기후 변화의 영향을 제한하고 해결하는 데 도움이 되는 비용 효율적이고 쉽게 배포할 수 있는 MOF 및 COF 버전을 개발합니다.

그는 "우리는 AI를 우리가 해온 화학과 융합하는 데 매우, 매우 기대하고 있습니다."라고 말했습니다.

이 연구는 사우디 아라비아의 King Abdulaziz City for Science and Technology, Yaghi의 탄소 포집 스타트업 Atoco Inc., Fifth Generation's Love, Tito's, BIDMaP의 자금 지원을 받았습니다. Yaghi의 협력자로는 독일 베를린의 Humboldt University의 방문 학자 Joachim Sauer와 시카고 대학의 계산 과학자 Laura Gagliardi가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241023130908.htm