Menangkap karbon dioksida dan mengubahnya menjadi energi secara efisien

Para peneliti telah menemukan bagaimana karbon dioksida dapat ditangkap dan diubah melalui proses elektrokimia tunggal di mana sebuah elektroda, seperti yang ditunjukkan pada gambar yang ditutupi gelembung, digunakan untuk menarik karbon dioksida yang dilepaskan dari bahan penyerap dan mengubahnya menjadi karbon netral. produk. Kredit: John Frieda/MIT MechE

Hasil ini, yang bergantung pada satu proses elektrokimia, dapat membantu mengurangi emisi dari industri yang sulit didekarbonisasi, seperti baja dan semen.

Dalam upaya mengurangi emisi gas rumah kaca global di seluruh dunia, para ilmuwan masuk Institut Teknologi Massachusetts Mereka fokus pada teknologi penangkapan karbon untuk mendekarbonisasi emisi industri yang paling menantang.

Sangat sulit untuk melakukan dekarbonisasi pada industri seperti manufaktur baja, semen, dan bahan kimia karena penggunaan karbon dan bahan bakar fosil dalam prosesnya. Jika teknologi dapat dikembangkan untuk menangkap emisi karbon dan menggunakannya kembali dalam proses produksi, hal ini dapat menghasilkan pengurangan emisi yang signifikan dari sektor-sektor yang “sulit dimitigasi”.

Namun, teknologi eksperimental saat ini yang menangkap dan mengubah karbon dioksida terjadi sebagai dua proses terpisah, yang memerlukan sejumlah besar energi untuk beroperasi. Tim MIT berupaya menggabungkan kedua proses tersebut menjadi satu sistem terintegrasi dan lebih hemat energi yang dapat menggunakan energi terbarukan untuk menangkap dan mengubah karbon dioksida dari sumber industri terkonsentrasi.

Temuan terbaru tentang penangkapan dan konversi karbon

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan 5 September di jurnal katalisis ACSPara peneliti mengungkap fungsi tersembunyi bagaimana karbon dioksida ditangkap dan diubah melalui satu proses elektrokimia. Prosesnya melibatkan penggunaan elektroda untuk menangkap karbon dioksida yang dilepaskan oleh bahan penyerap, mengubahnya menjadi bentuk encer yang dapat digunakan kembali.

Pihak lain melaporkan demonstrasi serupa, namun mekanisme yang mendorong reaksi elektrokimia masih belum jelas. Tim MIT melakukan eksperimen ekstensif untuk menentukan dorongan ini, dan akhirnya menemukan bahwa hal ini disebabkan oleh tekanan parsial karbon dioksida. Dengan kata lain, semakin murni CO2 yang bersentuhan dengan elektroda, semakin efisien elektroda tersebut menangkap dan mengubah molekul.

Cari tahu apa mesin utama atau “aktif” ini. Menggolongkan“, dapat membantu para ilmuwan menyempurnakan dan mengoptimalkan sistem elektrokimia serupa untuk menangkap dan mengubah karbon dioksida secara efisien dalam proses terintegrasi.

Hasil studi menunjukkan bahwa meskipun sistem elektrokimia ini mungkin tidak cocok untuk lingkungan yang sangat encer (misalnya, untuk menangkap dan mengubah emisi karbon langsung dari udara), sistem ini cocok untuk emisi dengan konsentrasi tinggi yang dihasilkan oleh proses industri. Terutama mereka yang tidak memiliki alternatif energi terbarukan yang jelas.

“Kita dapat dan harus beralih ke sumber energi terbarukan untuk menghasilkan listrik,” kata penulis studi Petar Galant, profesor pengembangan karir di MIT, angkatan 1922. “Industri dekarbonisasi mendalam seperti produksi semen atau baja merupakan tantangan dan akan memakan waktu.” “Bahkan jika kita menghilangkan seluruh pembangkit listrik kita, kita memerlukan beberapa solusi untuk mengatasi emisi dari industri lain dalam jangka pendek, sebelum kita dapat melakukan dekarbonisasi sepenuhnya. Di sinilah kita melihat titik yang tepat, di mana sistem seperti ini dapat bekerja.

Rekan penulis studi dari MIT adalah penulis utama dan peneliti pascadoktoral Graham Leverick dan mahasiswa pascasarjana Elizabeth Bernhardt, bersama dengan Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman, dan Mohd Khairuddin Arua dari Sunway University Malaysia.

Memahami proses penangkapan karbon

Teknologi penangkapan karbon dirancang untuk menangkap emisi, atau “gas buang”, dari cerobong asap pembangkit listrik dan fasilitas manufaktur. Hal ini dilakukan terutama dengan menggunakan retrofit besar-besaran untuk mengarahkan emisi ke dalam ruangan yang diisi dengan larutan “penangkap” – campuran amina, atau senyawa berbasis amonia, yang secara kimia berikatan dengan karbon dioksida, menciptakan bentuk stabil yang dapat dipisahkan dari yang lain. Dari gas buang.

Suhu tinggi kemudian diterapkan, biasanya dalam bentuk uap bahan bakar fosil, untuk melepaskan karbon dioksida yang ditangkap dari ikatan amino. Dalam bentuknya yang murni, gas tersebut kemudian dapat dipompa ke tangki penyimpanan atau bawah tanah, dijadikan mineral, atau diubah menjadi bahan kimia atau bahan bakar.

“Penangkapan karbon adalah teknologi yang matang, karena bahan kimianya telah dikenal selama sekitar 100 tahun, namun memerlukan fasilitas yang sangat besar, dan sangat mahal serta boros energi untuk menjalankannya,” kata Gallant. “Yang kami inginkan adalah teknologi yang lebih fleksibel dan fleksibel serta dapat disesuaikan dengan sumber karbon dioksida yang lebih beragam. Sistem elektrokimia dapat membantu mengatasi hal ini.”

Kelompoknya di MIT sedang mengembangkan sistem elektrokimia yang memulihkan karbon dioksida yang ditangkap dan mengubahnya menjadi produk yang dapat direduksi dan dapat digunakan. Sistem yang terintegrasi, bukan terpisah, dapat sepenuhnya ditenagai oleh listrik terbarukan, bukan uap yang berasal dari bahan bakar fosil, katanya.

Konsep mereka berpusat pada elektroda yang dapat dipasang di ruang yang ada untuk solusi penangkapan karbon. Ketika tegangan diterapkan ke elektroda, elektron mengalir ke bentuk karbon dioksida reaktif dan mengubahnya menjadi produk menggunakan proton yang disuplai dari air. Hal ini membuat penyerap tersedia untuk mengikat lebih banyak karbon dioksida, dibandingkan menggunakan uap untuk melakukan hal yang sama.

Gallant sebelumnya telah menunjukkan bahwa proses elektrokimia ini dapat menangkap karbon dioksida dan mengubahnya menjadi gas Bentuk karbonat padat.

“Kami menunjukkan bahwa proses elektrokimia ini mungkin terjadi pada konsep yang sangat awal,” katanya. “Sejak itu, ada penelitian lain yang berfokus pada penggunaan proses ini untuk mencoba menghasilkan bahan kimia dan bahan bakar yang berguna. Namun ada penjelasan yang tidak konsisten tentang cara kerja reaksi ini.”

Peran CO2 Tunggal

Dalam studi baru, tim MIT menggunakan kaca pembesar untuk mengetahui reaksi spesifik yang mendorong proses elektrokimia. Di laboratorium, mereka menghasilkan larutan amino yang menyerupai larutan penangkapan industri yang digunakan untuk mengekstraksi karbon dioksida dari gas buang. Mereka secara sistematis memvariasikan sifat-sifat yang berbeda dari setiap larutan, seperti pH, konsentrasi dan jenis amina, dan kemudian melewatkan setiap larutan melalui elektroda yang terbuat dari perak, logam yang banyak digunakan dalam studi elektrolisis dan dikenal karena kemampuannya mengubah karbon dioksida menjadi karbon secara efisien. . Monoksida. Mereka kemudian mengukur konsentrasi karbon monoksida yang dikonversi pada akhir reaksi, dan membandingkan angka ini dengan setiap larutan lain yang mereka uji, untuk melihat parameter mana yang memiliki pengaruh terbesar terhadap jumlah karbon monoksida yang dihasilkan.

Pada akhirnya, mereka menemukan bahwa yang paling penting bukanlah jenis amina yang digunakan untuk memerangkap karbon dioksida, seperti yang diperkirakan banyak orang. Sebaliknya, konsentrasi molekul CO2 bebas tunggallah yang menghindari pengikatan dengan amina namun tetap ada dalam larutan. “Karbon dioksida tunggal” menentukan konsentrasi karbon monoksida yang akhirnya dihasilkan.

“Kami menemukan bahwa lebih mudah bereaksi dengan karbon dioksida tunggal dibandingkan dengan karbon dioksida yang ditangkap oleh amina,” kata Leverick. “Hal ini memberi tahu para peneliti di masa depan bahwa proses ini dapat dilakukan untuk aliran industri, karena konsentrasi karbon dioksida yang tinggi dapat ditangkap secara efisien dan diubah menjadi bahan kimia dan bahan bakar yang berguna.”

“Ini bukanlah teknik penghapusan, dan penting untuk disebutkan,” Gallant menekankan. “Nilai yang dihasilkannya adalah memungkinkan kita mendaur ulang CO2 berkali-kali sambil mempertahankan proses industri yang ada, untuk mengurangi emisi terkait. Pada akhirnya, impian saya adalah sistem elektrokimia dapat digunakan untuk memfasilitasi mineralisasi dan penyimpanan permanen CO2, sebuah hal yang nyata. teknologi penghapusan.” Ini adalah visi jangka panjang, dan sebagian besar ilmu pengetahuan yang mulai kita pahami merupakan langkah pertama menuju perancangan proses ini.

Referensi: “Deteksi spesies aktif dalam karbon dioksida yang dimediasi amina₂ “Pengurangan CO2 dalam Ag” oleh Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lu, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa, dan Petar M. Gallant*, 5 September 2023, katalisis ACS.
doi: 10.1021/acscatal.3c02500

Penelitian ini didukung oleh Sunway University Malaysia.