Material carbon redesenat promite captarea CO2 la costuri mult reduse, cu eliberare la temperaturi joase

Sursa foto: Imagine generată AI iAceastă imagine a fost generată automat de AI pe baza rezumatului articolului și nu reprezintă un moment real fotografiat.

O echipă de cercetători de la Universitatea Chiba din Japonia a prezentat o familie de materiale pe bază de carbon, numite „viciazite”, care promit să reducă semnificativ costurile și energia necesare pentru captarea dioxidului de carbon (CO2). Prin controlul precis al aranjamentului atomilor de azot la suprafața materialului, oamenii de știință au obținut structuri care absorb eficient CO2 și, foarte important, îl pot elibera la temperaturi mult mai scăzute decât tehnologiile convenționale.

Context: de ce este nevoie de materiale mai eficiente pentru captarea CO2

Captarea dioxidului de carbon înainte ca acesta să ajungă în atmosferă rămâne una dintre cele mai directe căi de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră. În practică, însă, metodele industriale larg răspândite—cum este spălarea cu amine în fază apoasă—impun costuri energetice mari. Procedura clasică presupune încălzirea unor volume mari de lichid la temperaturi de peste 100 °C pentru a elibera CO2 capturat și a regenera soluția, ceea ce crește consumul de energie și costurile de operare, limitând adoptarea pe scară largă.

Materialele solide pe bază de carbon au apărut ca o alternativă promițătoare: sunt relativ ieftine, oferă suprafețe mari pentru adsorbție și pot permite regenerarea cu o cerință termică mai mică, în special atunci când suprafețele lor sunt funcționalizate cu grupări pe bază de azot. Totuși, o limitare majoră a fost modul aleator în care grupările de azot apar pe materiale produse prin metode tradiționale, ceea ce îngreunează identificarea configurărilor optime pentru performanță.

Construirea viciazitelor: controlul poziționării azotului

Pentru a depăși această problemă, echipa condusă de conferențiarul asociat Yasuhiro Yamada, de la Graduate School of Engineering, și conferențiarul asociat Tomonori Ohba, de la Graduate School of Science, ambele din cadrul Universității Chiba, a dezvoltat materiale de carbon în care grupările de azot sunt plasate intenționat în poziții adiacente. Denumite colectiv „viciazite”, aceste materiale au fost proiectate pentru a testa cum influențează tiparul de plasare al azotului proprietățile de captare și eliberare a CO2.

Cercetătorii au sintetizat trei versiuni diferite de viciazite, fiecare având un tip unic de aranjament adiacent al azotului. Procesul utilizat pentru a obține grupări amine primare adiacente (-NH2) a implicat un lanț de reacții în trei pași: încălzirea unui compus numit coronene, tratamentul cu brom și, în final, expunerea la gaz de amoniac. Această metodă a atins o selectivitate de 76%, ceea ce înseamnă că majoritatea atomilor de azot au fost instalați în pozițiile dorite.

• Grupări amine primare adiacente (-NH2): 76% selectivitate
• Azot pirrolic adiacent: 82% selectivitate
• Azot piridinic adiacent: 60% selectivitate

Două dintre materiale au fost obținute pornind de la compuși diferiți, ceea ce a permis obținerea celor trei tipuri de configurări cu grade diferite de selectivitate. Această capacitate de a direcționa plasarea atomilor de azot reprezintă un pas important către sinteza de materiale „la comandă”, în care proprietățile la nivel molecular pot fi proiectate pentru aplicații specifice.

Aplicarea pe fibre de carbon activate

Fiecare material a fost introdus pe fibre de carbon activate pentru a crea probe utilizabile în teste reale de captare a CO2. Alegerea fibrelor activate a urmărit obținerea unor suprafețe practice și testarea comportamentului în condiții apropiate de utilizarea industrială.

Verificarea structurii și evaluarea performanțelor

Echipa a folosit o combinație de tehnici experimentale și modelare pentru a confirma plasarea precisă a grupărilor de azot. Metodele incluse au fost:

• Spectroscopie prin rezonanță magnetică nucleară
• Spectroscopie fotoelectronică cu raze X
• Modelare computațională

Aceste tehnici au validat că atomii de azot se aflau unul lângă celălalt, nu distribuiți aleator pe suprafața materialului. Confirmarea la nivel atomic a fost esențială pentru a corela cu precizie structura cu proprietățile de adsorbție și desorbție.

La testele de performanță, probele funcționalizate au prezentat diferențe clare. Materialele care aveau grupări -NH2 adiacente și cele cu azot pirrolic adiacent au captat mai mult CO2 decât fibrele de carbon netratate. În schimb, materialul cu azot piridinic adiacent a arătat o îmbunătățire minimă, indicând că nu toate configurațiile adiace ale azotului conferă avantaje semnificative pentru captarea CO2.

Eliberarea CO2 la temperaturi joase: implicații pentru costuri

Cea mai remarcabilă descoperire a fost legată de ușurința cu care materialele eliberează CO2. În special, materialele în care grupările -NH2 erau introduse adiacent au permis ca majoritatea CO2 adsorbit să se desorbe la temperaturi sub 60 °C. Aceasta este o diferență majoră în comparație cu procesele convenționale care necesită peste 100 °C.

Dr. Yasuhiro Yamada a subliniat importanța acestei proprietăți: „Evaluarea performanței a relevat că, în materialele de carbon în care grupările NH2 sunt introduse adiacent, cea mai mare parte a CO2 adsorbit se desorbe la temperaturi sub 60 °C. Prin combinarea acestei proprietăți cu căldura reziduală industrială, ar putea fi posibilă obținerea unor procese eficiente de captare a CO2 cu costuri operaționale substanțial reduse.”

Temperaturile de desorbție sub 60 °C deschid posibilitatea utilizării căldurii reziduale din procese industriale—o sursă de energie care, în multe fabrici, este disponibilă gratuit sau la costuri mici. Astfel, regenerarea materialului pentru cicluri repetate de captare nu ar mai necesita consumul intens de combustibili sau energie electrică asociată cu încălzirea la temperaturi mari.

Materialul cu azot pirrolic adiacent a cerut temperaturi mai ridicate pentru a elibera CO2, dar autorii notează că această configurație poate oferi o stabilitate pe termen lung mai bună datorită unei structuri chimice mai robuste. Acest compromis între ușurința regenerării și stabilitatea structurală evidențiază faptul că proiectarea materialelor trebuie adaptată în funcție de cerințele concrete ale aplicației industriale vizate.

O cale nouă spre captare rentabilă a CO2

Lucrarea demonstrează că aranjamentele adiacente ale grupărilor de azot pot fi realizate în mod controlat și repetabil, oferind un plan clar pentru sinteza materialelor de carbon cu proprietăți proiectate. Controlul la nivel molecular deschide perspective pentru dezvoltarea unei noi generații de materiale pentru captarea CO2, care să fie atât avansate din punct de vedere funcțional, cât și rentabile din punct de vedere operațional.

Dr. Yamada a explicat motivația echipei: „Motivația noastră este să contribuim la societatea viitoare și să utilizăm materialele de carbon recent dezvoltate cu structuri controlate. Această lucrare oferă căi validate pentru a sintetiza materiale de carbon dopate cu azot, proiectate la nivel molecular, esențiale pentru dezvoltarea tehnologiilor avansate de captare a CO2, rentabile și de nouă generație.”

Pe lângă aplicațiile directe pentru captarea dioxidului de carbon, viciazitele ar putea fi adaptate pentru alte scopuri datorită suprafețelor lor personalizabile. Autorii menționează posibilități precum îndepărtarea ionilor metalici sau utilizarea ca și catalizatori, sugerând un potențial larg de utilizare în tratamente chimice și procese industriale.

Posibilități de aplicare și provocări viitoare

Studiul oferă o schemă clară pentru proiectarea materialelor cu grupări funcționale țintite, dar rămân întrebări legate de scalabilitate, durabilitate pe termen lung în cicluri repetate și integrarea acestor materiale în procese industriale existente. Este de asemenea necesară evaluarea economică detaliată în condiții reale de operare pentru a cuantifica economiile potențiale la scară industrială.

Finanțare și recunoaștere

Proiectul a beneficiat de sprijin financiar din partea următoarelor entități:

• Fundația Mukai pentru Știință și Tehnologie
• Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei (JSPS KAKENHI, Număr de grant JP24K01251)
• „Infrastructura Avansată de Cercetare pentru Materiale și Nanotehnologie din Japonia” (ARIM) a Ministerului Educației, Culturii, Sportului, Științei și Tehnologiei (MEXT), sub Numărul de grant JPMXP1225JI0008

Această susținere a fost esențială pentru realizarea sintezelor controlate, caracterizarea avansată și testele de performanță care au validat conceptul viciazitelor.

Publicare științifică și echipa de cercetare

Studiul a fost publicat în revista Carbon și este semnat de o echipă extinsă de autori: Kota Kondo, Ayane Uchizono, Lizhi Pu, Itsuki Takahashi, Ryoshin Suzuki, Sota Nakamura, Kai Kan, Kazuma Gotoh, Tetsuro Soejima, Satoshi Sato, Tomonori Ohba și Yasuhiro Yamada. Articolul din jurnal oferă detalii experimentale, date spectroscopice și rezultate de modelare care susțin concluziile privind selectivitatea plasării azotului și comportamentul la adsorbție/desorbție al CO2.

Pentru accesul direct la lucrarea științifică, DOI-ul asociat este 10.1016/j.carbon.2026.121405, care permite consultarea raportului complet al cercetării, inclusiv metodele experimentale și datele brute utilizate pentru analiza performanței materialelor.

Mai multe informații despre comunicatul echipei de la Universitatea Chiba pot fi găsite pe pagina oficială a instituției, iar sinteza raportului publicat în presă oferă o punte între descrierea accesibilă publicului larg și detaliile tehnice din revistă.

Pe măsură ce comunitatea științifică explorează opțiuni pentru a face tehnologiile de captare a carbonului mai eficiente și mai accesibile, rezultatele obținute de echipa de la Universitatea Chiba conturează un exemplu de cum controlul la nivel molecular poate transforma practicile industriale actuale. Dacă proprietățile observate la scară de laborator se vor păstra și în condiții industriale, integrarea viciazitelor cu surse de căldură reziduală ar putea reduce semnificativ costurile operaționale ale captării CO2.

Sursele oficiale și publicațiile științifice care documentează aceste rezultate pot fi consultate pentru detalii suplimentare: Articolul publicat pe ScienceDaily, comunicatul Universității Chiba: Comunicat Universitatea Chiba și referința jurnalului cu DOI: DOI 10.1016/j.carbon.2026.121405.