벌금 전략

2022년 11월 3일 특집

잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

최근 몇 년 동안 많은 엔지니어와 재료 과학자들은 지구의 기후 변화를 완화하는 데 도움이 될 수 있는 지속 가능한 에너지 솔루션을 개발하려고 노력해 왔습니다. 여기에는 바이오매스에 의존하거나 화석 연료를 연소하는 발전소나 산업 시설과 같이 이산화탄소(CO2)가 광범위하게 생산되는 현장에서 이산화탄소(CO2)를 포집하거나 흡수하도록 특별히 설계된 탄소 포집 기술이 포함됩니다.

일부 탄소 포집 솔루션은 유망한 결과를 얻었지만 sp3 아민을 활용하는 기존의 습식 화학 세정 방법을 기반으로 하는 솔루션은 종종 너무 많은 에너지를 소비하고 부식 및 흡착제 분해가 발생하기 쉽습니다. 이로 인해 광범위한 구현이 크게 제한되어 대체 CO2 분리 전략의 필요성이 강조됩니다.

존스 홉킨스 대학교, 오스틴 텍사스 대학교, 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구원들은 최근 일련의 산화환원 조정이 가능한 루이스 염기(즉, 배위 공유 결합에 기증될 수 있는 비공유 전자쌍을 가진 분자)를 도입했습니다. ) CO2를 가역적으로 포집하고 방출할 수 있는 sp2 질소 센터가 있습니다. Nature Energy에 게재된 논문에서 그들은 또한 이러한 루이스 염기의 특성을 미세 조정하기 위한 전략의 개요를 설명했습니다.

Xing Li, Xunhua Zhao, Yuanyue Liu, T. Alan Hatton 및 Yayuan Liu는 논문에서 "우리는 전기화학 주기를 통해 이산화탄소를 가역적으로 포획하고 방출할 수 있는 sp2-질소 센터를 갖춘 산화환원 조정 가능 루이스 염기 라이브러리를 시연했습니다."라고 썼습니다. . "탄소 포집 과정의 메커니즘은 결합된 실험적 접근 방식과 계산적 접근 방식을 통해 해명되었습니다."

연구진의 최근 연구는 CO2 친화성으로 인해 산화환원 활성 sp2 질소 센터가 있는 루이스 염기가 전기화학적 전위를 사용하여 조절될 수 있어 대체적이고 보다 효과적인 탄소 포집 솔루션의 개발이 가능하다는 아이디어에 기반을 두고 있습니다. 이 가설을 검증하기 위해 연구자들은 피라딘, 디아진, 티아디졸 및 아조 부분을 포함하여 sp2 질소 중심을 포함하는 유기 염기 라이브러리를 편집했습니다.

연구진은 논문에서 “산화된 형태에서는 이들 화합물 중 어느 것도 CO2와 강한 상호작용을 보이지 않습니다.”라고 썼습니다. 그러나 그들의 전기 환원과 그에 따른 산화 거동은 전해질에 있는 CO2의 존재에 의해 크게 조절될 수 있습니다.

Li와 그의 동료들은 컴퓨터 시뮬레이션과 실험 모두에서 루이스 염기 흡착제가 탄소를 포집할 수 있게 하는 메커니즘을 명확하게 설명했습니다. 그 후, 그들은 분자 설계와 전해질 공학 방법을 모두 사용하여 이러한 흡착제의 특성을 미세 조정(즉, 특정 용도에 맞게 조정)할 수 있음을 보여주었습니다. 연구진은 그들이 만든 루이스 염기의 특성을 미세 조정함으로써 이중 기능성 아조피리딘을 기반으로 하는 특히 유망한 루이스 염기를 식별할 수 있었습니다.

Li와 그의 동료들은 논문에서 "우리는 15% 이산화탄소, 5% 산소 하의 유동 시스템에서 순환에 걸쳐 85% 이상의 용량 활용 효율을 나타내는 전기화학적 매개 탄소 포집에 대한 가능성을 지닌 이중 기능성 아조피리딘 염기를 식별했습니다"라고 썼습니다. "이 연구는 산화환원 활성 이산화탄소 흡착제의 구조적 범위를 넓히고 전기화학적 조건에서 조정 가능한 염기성을 갖는 분자에 대한 설계 지침을 제공합니다."

앞으로 Li와 그의 동료들이 확인한 이중 기능성 아조피리딘 염기는 보다 에너지 효율적이고 효과적인 탄소 포집 기술을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 그들의 연구는 루이스 염기 흡착제를 기반으로 하는 다른 탄소 포집 솔루션 개발을 위한 길을 열 수 있습니다.

추가 정보: Xing Li 외, 전기화학적 이산화탄소 포집을 위한 산화환원 조정 가능 루이스 염기, Nature Energy(2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01137-z