Ερευνητές ανέπτυξαν μια συσκευή χαμηλού κόστους η οποία μπορεί να δεσμεύει επιλεκτικά διοξείδιο του άνθρακα κατά την φόρτισή της. Κατά την εκφόρτιση, το απελευθερώνει με ελεγχόμενο τρόπο έτσι ώστε αυτό να μπορεί να συλλεχθεί για να επαναχρησιμοποιηθεί ή να απορριφθεί κατάλληλα.
Ο περπυκνωτής, μία συσκευή η οποία είναι παρόμοια με μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία, έχει περίπου το μέγεθος ενός κέρματος του 1€ και είναι κατασκευασμένος εν μέρει από βιώσιμα υλικά, όπως κελύφη καρύδας και θαλασσινό νερό.
Σχεδιασμένος από επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Cambridge, ο υπερπυκνωτής θα μπορούσε να δώσει νέα ώθηση στις τεχνολογίες δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα, και μάλιστα με πολύ χαμηλότερο κόστος. Κάθε χρόνο απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα περίπου 35 δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα. Χρειαζόμαστε επειγόντως, λοιπόν, λύσεις για την εξάλειψη αυτών των εκπομπών και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Όμως, οι τρέχουσες τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα -οι πλέον προηγμένες και αποτελεσματικές, τουλάχιστον- είναι αρκετά ακριβές και ενεργοβόρες.
Ένας υπερπυκνωτής είναι παρόμοιος με μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία, αλλά η κύρια διαφορά των δύο συσκευών έγκειται στον τρόπο που αποθηκεύει η καθεμία το φορτίο. Μια μπαταρία στηρίζεται σε χημικές αντιδράσεις για να αποθηκεύσει και να αποδώσει, αργότερα, το φορτίο. Αντίθετα, ένας υπερπυκνωτής δεν βασίζεται στην Χημεία αλλά στην κίνηση των ηλεκτρονίων μεταξύ των ηλεκτροδίων του, επομένως η απώλεια στην απόδοσή του γίνεται με πολύ πιο αργούς ρυθμούς και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Το τίμημα είναι ότι οι υπερπυκνωτές δεν μπορούν να αποθηκεύσουν τόσο φορτίο όσο οι μπαταρίες, αλλά εάν το κέρδος αφορά την δέσμευση άνθρακα, σίγουρα θα δίναμε προτεραιότητα στην ανθεκτικότητα», δηλώνει η συν-συγγραφέας Grace Mapstone. «Το καλύτερο μέρος είναι ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή υπερπυκνωτών είναι φθηνά και άφθονα. Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από άνθρακα, ο οποίος προέρχεται από κελύφη καρύδας.»
«Θέλουμε να χρησιμοποιούμε υλικά που είναι ουδέτερα, που δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον και που δεν τα ξεφορτωνόμαστε, συχνά, ως απορρίμματα. Για παράδειγμα, το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται σε έναν ηλεκτρολύτη με βάση το νερό, ο οποίος ουσιαστικά είναι θαλασσινό νερό.»
Ωστόσο, αυτός ο υπερπυκνωτής δεν απορροφά αυθόρμητα το διοξείδιο του άνθρακα: για να το αντλήσει πρέπει να βρίσκεται σε διαδικασία φόρτισης. Όταν φορτιστούν τα ηλεκτρόδια, η αρνητική πλάκα προσελκύει το διοξείδιο του άνθρακα, ενώ “αδιαφορεί” για τις άλλες εκπομπές, όπως το οξυγόνο, το άζωτο και το νερό, τα οποία δεν συμβάλλουν στην κλιματική αλλαγή. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, ο υπερπυκνωτής εκτελεί δύο λειτουργίες: δεσμεύει άνθρακα και αποθηκεύει ενέργεια.
Ο υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια με θετικό και αρνητικό φορτίο. Η ομάδα με επικεφαλής τον Trevor Binford, επιχείρησε την εναλλαγή της τάσης από από αρνητική σε θετική, για να παρατείνει τον χρόνο φόρτισης σε σχέση με προηγούμενα πειράματα. Αυτό βελτίωσε την ικανότητα του υπερπυκνωτή να δεσμεύει άνθρακα.
«Ανακαλύψαμε πως εναλλάσσοντας αργά το ρεύμα μεταξύ των πλακών μπορούμε να αιχμαλωτίσουμε διπλάσια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα απ’ ότι προηγουμένως», δήλωσε ο Dr Alexander Forse από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Cambridge, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας.
«Η διαδικασία φόρτισης-εκφόρτισης του υπερπυκνωτή μας χρησιμοποιεί δυνητικά λιγότερη ενέργεια από τη διαδικασία θέρμανσης με αμίνες που χρησιμοποιείται αυτή τη στιγμή. Τα επόμενα βήματά μας είναι να διερευνήσουμε ποιοί είναι οι ακριβείς μηχανισμοί δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα και να τους βελτιώσουμε. Μετά από αυτό, θα τεθεί το ζήτημα εφαρμογής σε μεγαλύτερη κλίμακα».
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στις 19 Μαΐου 2022 στο περιοδικό Nanoscale.
Ο συν-συγγραφέας Dr. Israel Temprano συνέβαλε στο έργο αναπτύσσοντας μια τεχνική ανάλυσης αερίων για τη συσκευή. Η τεχνική χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα πίεσης που ανταποκρίνεται στις αλλαγές της προσρόφησης του αερίου στην ηλεκτροχημική συσκευή. Τα αποτελέσματα από τη συμβολή του Temprano βοηθούν στην αναγνώριση των ακριβών μηχανισμών που παίζουν ρόλο μέσα στον υπερπυκνωτή κατά την διάρκεια της απορρόφησης και απελευθέρωσης διοξειδίου του άνθρακα. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών, των πιθανών απωλειών και της πορείας που ακολοθεί η απώλεια απόδοσης με τον χρόνο, είναι απαραίτητη για την μεταφορά σε μεγαλύτερη κλίμακα.»
Ο Temprano λέει: «Είναι ένα νέο πεδίο έρευνας, επομένως ο ακριβής μηχανισμός που λειτουργεί μέσα στον υπερπυκνωτή δεν είναι ακόμη γνωστός».
Παραπομπές:
“Enhancing the capacity of supercapacitive swing adsorption CO2 capture by tuning charging protocols” by Trevor B Binford, Grace Mapstone, Israel Temprano and Alexander C. Forse, Nanoscale. DOI: 10.1039/D2NR00748G
Πηγή: https://scitechdaily.com/
