Fangst af CO₂ direkte fra luften og fra røggasser bliver et vigtigt værktøj til at nedbringe atmosfærens indhold af CO₂ i fremtiden. Effektiviteten af de materialer – såkaldte sorbenter – som CO₂ skal binde sig til og efterfølgende frigives fra igen, er helt afgørende for mulighederne i denne teknologi. Derfor arbejder kemikere hårdt på at udvikle nye og bedre sorbenter.

Af Aleksa Petrovic og Anders Grundtvig Utzon

Før den industrielle revolution var koncentrationen af ​​CO₂ i atmosfæren omkring 0,028 % (280 ppm) – i dag er den 0,042% (420 ppm) og stigende. Hvis vi vil undgå, at den høje koncentration af CO₂ får den globale temperatur til at stige mere end 1,5 - 2 °C, må vi have denne udvikling vendt. På sigt er det derfor nødvendigt at indfange CO₂ direkte fra atmosfæren. Selvom koncentrationen af CO₂ er den højeste nogensinde, udgør CO₂ som allerede nævnt ikke nogen stor andel af atmosfæren. Faktisk er kun 1 ud af 2400 molekyler i luften CO₂, hvilket kan få CO₂-fangst fra atmosfæren – på fagsproget kaldet Direct Air Capture (DAC) – til at syne som en proces, der kan sammenlignes med at finde en nål i en høstak.

Direct Air Capture er en samlebetegnelse for processer, der sigter på at opsamle CO₂ fra atmosfæren så effektivt som muligt. I praksis eksponerer man luft for specialiserede materialer, kaldet sorbenter, som selektivt kan binde sig til CO₂ og dermed adskille det fra luftens øvrige komponenter som nitrogen, oxygen, argon, mv. Når materialet har indsamlet en tilstrækkelig stor mængde CO₂, kan CO₂’en frigives på en kontrolleret måde ved at varme materialet op, hvilket samtidig gør materialet klar til en ny indsamlingscyklus. Den frigivne CO₂ kan derefter lagres i for eksempel underjordiske CO₂-lagre eller anvendes i den kemiske industri.

En beslægtet strategi for CO₂-fangst kaldes Post Combustion Capture (PCC), som går ud på at fange CO₂ fra punktkilder, dvs. hvor den produceres, før den når op i atmosfæren. Herved reducerer man altså emissionerne. Eksempelvis kan man fange CO₂ fra røggasser, der ellers var blevet udledt i atmosfæren. Da koncentrationen af CO₂ er meget højere fra punktkilder end i atmosfæren, er det billigere og mere gennemførligt med kendte teknologier.

Kemien i CO₂-fangst

De fleste sorbenter fanger CO₂ via en mekanisme, der kan sammenlignes med tiltrækningen mellem modsatrettede poler på en magnet. Et CO₂ –molekyle har en lineær struktur, hvor carbonatomet er placeret midt mellem to oxygenatomer (figur 2). Da carbon er mindre elektronegativt end oxygen, kommer carbonatomet i CO₂ i elektronunderskud og bliver dermed delvis positivt ladet. Sorbenter er typisk basiske materialer, der indeholder et elektronrigt atom, som bærer en delvis eller fuld negativ ladning. Når et CO₂ -molekyle og et sorbent-molekyle nærmer sig hinanden, binder det elektronrige atom i sorbenten sig til det elektronfattige atom i CO₂ . Det er i det væsentlige på denne måde, at sorbenter “fanger” CO₂.

Sorbenter kan enten være væsker eller faste stoffer og anvendes ofte i en vandig opløsning eller aflejres på et porøst, fast stof. De mest udbredte sorbenter til Post Combustion Capture er vandige opløsninger af alkanolaminer og diaminer (figur 3). Til Direct Air Capture er det mere almindeligt at bruge vandige opløsninger af alkalimetalhydroxider (for eksempel KOH eller NaOH) eller porøse faste materialer, der indeholder en høj densitet af amino­grupper.

Reaktionen mellem vandig monoethanolamin (MEA) og CO₂ er den mest udbredte kemiske reaktion i forbindelse med Post Combustion Capture (figur 4). I denne reaktion danner det elektronrige nitrogenatom i MEA en binding til det elektronfattige carbonatom i CO₂. Produktet af denne reaktion er kendt som et carbamat. "MEA-carbamatet" kan derefter reagere med vand, hvilket giver ammonium-MEA og hydrogencarbonat.

Reaktionen kan vendes ved at opvarme opløsningen til 115 °C. Opvarmningen svækker tiltrækningskræfterne mellem CO₂ og sorbenten, hvilket frigiver CO₂. Derved regenereres MEA samtidig til en ny cyklus.

Kemikernes udfordringer

Vores opgave som kemikere er nu at designe og syntetisere nye og bedre sorbenter samt at demonstrere, at disse kan fange CO₂ i laboratorieforsøg. For at være egnet som sorbent skal et materiale hurtigt og effektivt opfange CO₂ samtidig med, at energiforbruget til at frigive CO₂ og regenerere materialet skal minimeres. Derudover skal materialet være billigt, være muligt at masseproducere og have en lang levetid under de barske forhold, som det kan blive budt i den daglige drift. Desuden skal sorbent-materialet designes specifikt til opgaven – altså om det skal bruges til Direct Air Capture eller Post Combustion Capture.

Uanset, om CO₂-kilden er luft eller røggas, er det en stor udfordring for kemikere at designe et sorbent, der opfanger CO₂ hurtigt og samtidig forbruger en minimal mængde energi under regenerering. Det skyldes, at de fleste sorbenter, der hurtigt opfanger CO₂, også binder CO₂ meget kraftigt, hvilket betyder at det kræver tilsvarende mere energi at frigive CO₂ igen. Kemikere forsøger derfor at identificere den “perfekte” sorbent, der fanger CO₂ hurtigt, men som ikke binder det for stærkt (figur 5).

I denne jagt anvendes grundlæggende kemiske principper kombineret med computermodellering til at styre designet af mere effektive sorbenter, der balancerer energiforbruget ved regenerering og fangsthastigheden samt andre vigtige egenskaber. På den måde har kemikere blandt andre identificeret fire lovende forbindelser som kandidater til næste generation af sorbenter (figur 6).

Alle disse materialer er designet til at minimere omkostningerne og maksimere CO₂-opsamlingseffektiviteten. For eksempel er den ene af disse sorbenter, 2-EEDIPEDA, en væske, der kan laves ud fra billige udgangsmaterialer og regenereres ved kun 87 °C (sammenlignet med 115 °C for MEA). Disse egenskaber gør dette materiale til en lovende kandidat til Post Combustion Capture.

En alternativ tilgang til at håndtere energiforbruget forbundet med regenerering er at udvikle sorbenter, der kan regenereres på anden måde end ved at varme det op. Det kan for eksempel være ved hjælp af redoxprocesser, pH-variationer, trykvariationer eller ændringer i luftens fugtighed (figur 7).
Den største faldgrube ved disse teknologier er, at de er relativt dyre i forhold til opvarmning og derudover er relativt vanskelige at skalere op. Men alle disse teknologier er stadig i deres vorden, og der er et stort potentiale for at videreudvikle dem.

Mål: Fang 1 gigaton CO₂ årligt

Ifølge det Internationale Klimapanel IPCC er det afgørende at fange mindst 1 gigaton CO₂ årligt gennem den kombinerede udnyttelse af Direct Air Capture og Post Combusion Capture. Men i dag er CO₂-opsamlingsteknologier ikke så avancerede eller effektive, som de skal være for at kunne have en væsentlig global indflydelse. Så skal vi nå i mål med at fange 1 gigaton CO₂ årligt, kræver det udvikling af ​​ny teknologi, og det haster.

Som det er fremgået af denne artikel, er det udvikling af nye og bedre sorbenter, der sætter grænsen for, hvor langt vi kan komme – og hvor hurtigt vi kan nå i mål – med Direct Air Capture og Post Combustion Capture. Derfor arbejder vi kemikere hårdt på at designe og teste den næste generation af sorbenter. ♦