Vědci představili revoluční materiál pro přímé zachycování oxidu uhličitého ze vzduchu, který by mohl významně přispět k řešení klimatické krize. Nová technologie představuje zásadní pokrok v oblasti přímého zachycování uhlíku ze vzduchu (direct air capture, DAC) a nabízí dosud nevídanou účinnost a stabilitu. Jakých výsledků vědci dosáhli?

V centru objevu stojí nově vyvinutý materiál nazvaný COF-999 (covalent organic framework-999). Jde o porézní krystalickou strukturu s pravidelně rozmístěnými vnitřními póry, které jsou vybaveny aminovými skupinami. Tyto skupiny interagují s molekulami CO2 procházejícími materiálem a zachycují je na svém povrchu procesem známým jako adsorpce.

Nový porézní materiál COF-999 s šestihrannou strukturou, kde modré a oranžové kuličky znázorňují zachycené molekuly CO2. Foto: Se souhlasem UC Berkeley

„Vzali jsme prášek tohoto materiálu, umístili ho do trubice a nechali jsme jím procházet běžný venkovní vzduch z Berkeley. Výsledek byl ohromující – materiál kompletně vyčistil vzduch od CO2,“ uvedl vedoucí výzkumu profesor Omar Yaghi z Kalifornské univerzity v Berkeley.

200 gramů materiálu dokáže odstranit až 20 kilogramů CO2

Výzkumný tým prokázal, že pouhých 200 gramů nového materiálu dokáže za rok odstranit ze vzduchu až 20 kg oxidu uhličitého. COF-999 vykazuje několik pozoruhodných vlastností. Materiál disponuje vysokou kapacitou zachycení CO2, když dokáže pohltit 0,96 mmol/g v suchých podmínkách, přičemž při 50% relativní vlhkosti se tato hodnota více než zdvojnásobí na 2,05 mmol/g. Proces zachycování CO2 je navíc velmi rychlý – materiál dosáhne poloviny své maximální kapacity již za pouhých 18,8 minuty. Významnou výhodou je také nízká teplota potřebná pro regeneraci materiálu, která činí pouze 60°C. Materiál se také vyznačuje mimořádnou stabilitou, když si zachovává plnou účinnost i po 100 cyklech adsorpce a desorpce.

Zkumavka se žlutým práškem COF-999 vyfocená před charakteristickou zvonicí kampusu UC Berkeley. Foto: Se souhlasem UC Berkeley

Když je materiál nasycen oxidem uhličitým, nastává proces desorpce – uvolnění zachyceného CO2. K tomu stačí materiál zahřát na poměrně nízkou teplotu 60°C. Během tohoto procesu se zachycený CO2 uvolní v koncentrované podobě, což umožňuje jeho další zpracování nebo trvalé uložení pod zem. Po ochlazení je materiál připraven na další cyklus zachycování. Testy prokázaly mimořádnou stabilitu materiálu, který si zachovává plnou účinnost i po 100 takovýchto cyklů adsorpce a desorpce.

Chceme se však CO2 zbavit úplně? To určitě ne. Určitá hladina CO2 v atmosféře je pro život nezbytná. Oxid uhličitý hraje klíčovou roli v lidském těle – reguluje dýchání, pH krve a je nezbytný pro přenos kyslíku do tkání. Rostliny ho zase potřebují pro fotosyntézu. Proto není cílem CO2 z atmosféry zcela odstranit, ale snížit jeho koncentraci na úroveň, která byla v době před průmyslovou revolucí. Tehdy šlo přibližně o 280 ppm. Při této koncentraci fungovaly přírodní systémy Země stabilně po tisíce let a vědci předpokládají, že by snížení hodnot dokázalo opravit řadu přírodních mechanismů.

Dostaneme koncentrace zpátky do dob před průmyslovou revolucí?

„Zachycování CO2 z průmyslových zdrojů je způsob, jak zpomalit klimatickou změnu. Přímé zachycování ze vzduchu je metoda, jak se vrátit ke koncentracím CO2, jaké byly před 100 a více lety,“ vysvětluje Zihui Zhou, první autor studie. Současná koncentrace CO2 v atmosféře přesahuje 420 ppm a očekává se její další nárůst až k 500-550 ppm. Technologie jako COF-999 by mohly pomoci snížit tyto hodnoty zpět na 400 nebo dokonce 300 ppm.

Doktorand Zihui Zhou z UC Berkeley se vzorkem 100 miligramů COF-999. Za ním je vidět analyzátor, ve kterém se měřila schopnost materiálu zachytávat CO2 ze směsi napodobující běžný vzduch. Foto: Se souhlasem UC Berkeley

Výzkumný tým plánuje využít techniky strojového učení k dalšímu vylepšení této technologie. „Tento COF má silnou chemicky a tepelně stabilní strukturu, vyžaduje méně energie a prokázali jsme, že vydrží 100 cyklů bez ztráty kapacity. Žádný jiný materiál nevykazuje takové vlastnosti. Je to v podstatě nejlepší materiál pro přímé zachycování CO2 ze vzduchu, jaký současně existuje.“

I přes tento významný pokrok zůstává klíčovým krokem v boji proti klimatické krizi snižování emisí a dodržování Pařížské dohody. Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Nature.

Zdroje: 1, 2