Opreirea dioxidului de carbon (CO2) înainte ca acesta să intre în atmosferă este o modalitate critică de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră. Deși captarea carbonului există de mulți ani, nu a fost adoptată pe scară largă, deoarece majoritatea sistemelor sunt costisitoare și ineficiente.
O abordare industrială comună, spălarea cu amine apoase, necesită încălzirea unor cantități mari de lichid la temperaturi de peste 100 °C pentru a elibera CO2-ul capturat și a reutiliza soluția. Această cerere mare de energie crește costurile de operare și face dificilă utilizarea pe scară largă.
Materialele carbonice solide au câștigat atenție ca o opțiune mai practică. Aceste materiale sunt relativ ieftine și au o suprafață mare care le permite să capteze CO2. De asemenea, pot elibera gazul folosind mai puțină căldură, mai ales atunci când conțin grupuri funcționale pe bază de azot. Cu toate acestea, a existat o limitare cheie. Metodele tradiționale de fabricație plasează aceste grupuri de azot aleatoriu în material, făcând dificilă identificarea aranjamentelor specifice care duc la o performanță mai bună.
Pentru a aborda această provocare, o echipă de cercetare condusă de profesorul asociat Yasuhiro Yamada de la Graduate School of Engineering și profesorul asociat Tomonori Ohba de la Graduate School of Science de la Universitatea Chiba, Japonia, a dezvoltat un nou tip de material carbonos numit „viciazite”. Aceste materiale sunt proiectate cu grupuri de azot poziționate unul lângă altul într-un mod controlat. Studiul, publicat în revista *Carbon*, a fost co-autor de domnul Kota Kondo, tot de la Universitatea Chiba.
**Construirea Viciazitelor cu Asociere Controlată de Azot**
Cercetătorii au creat trei versiuni diferite de viciazite, fiecare cu un tip unic de configurație de azot adiacent. Pentru a produce grupuri de amine primare adiacente (grupuri -NH2), au încălzit mai întâi un compus numit coronen, apoi l-au tratat cu brom, urmat de gaz amoniac. Această metodă în trei pași a atins o selectivitate de 76%, ceea ce înseamnă că majoritatea atomilor de azot au fost plasați în pozițiile intenționate. Două materiale suplimentare au fost produse folosind compuși de pornire diferiți. Unul prezenta azot pirolic adiacent cu o selectivitate de 82%, în timp ce celălalt conținea azot piridinic adiacent cu o selectivitate de 60%.
**Verificarea Structurii și Testarea Performanței**
Fiecare material a fost aplicat pe fibre de carbon activat pentru a crea mostre utilizabile. Echipa a confirmat plasarea precisă a grupurilor de azot folosind tehnici precum spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopia fotoelectronică cu raze X și modelarea computațională. Aceste metode au verificat că atomii de azot au fost poziționați unul lângă altul, mai degrabă decât distribuiți aleatoriu.
Când au fost testate, materialele au prezentat diferențe clare de performanță. Probele cu grupuri -NH2 adiacente și azot pirolic au capturat mai mult CO2 decât fibrele de carbon netratate. În schimb, configurația cu azot piridinic a oferit o îmbunătățire redusă.
**Eliberarea CO2 la Temperatură Scăzută Ar Putea Reduce Consumul de Energie**
Cea mai notabilă descoperire a implicat cât de ușor eliberează materialele CO2. „Evaluarea performanței a relevat că în materialele carbonice în care grupurile NH2 sunt introduse adiacent, cea mai mare parte a CO2 adsorbit se desorbează la temperaturi sub 60 °C. Combinând această proprietate cu căldura reziduală industrială, ar putea fi posibilă realizarea unor procese eficiente de captare a CO2 cu costuri de operare substanțial reduse”, subliniază Dr. Yamada. Materialul care conține azot pirolic a necesitat temperaturi mai ridicate pentru a elibera CO2, dar ar putea oferi o stabilitate mai bună pe termen lung datorită structurii sale chimice mai puternice.
**O Nouă Cale Către Captarea Rentabilă a Carbonului**
Această lucrare arată că aranjarea grupurilor de azot în modele adiacente specifice poate fi realizată în mod fiabil, oferind o strategie clară pentru proiectarea materialelor îmbunătățite de captare a carbonului. „Motivația noastră este de a contribui la societatea viitoare și de a utiliza materialele noastre carbonice dezvoltate recent cu structuri controlate. Această lucrare oferă căi validate pentru a sintetiza materiale carbonice dopate cu azot proiectate, oferind controlul la nivel molecular esențial pentru dezvoltarea tehnologiilor de captare a CO2 de generație următoare, rentabile și avansate”, conchide Dr. Yamada.
Dincolo de captarea CO2, aceste materiale viciazite ar putea fi utilizate și pentru alte aplicații, inclusiv eliminarea ionilor metalici sau servirea ca catalizatori, datorită proprietăților lor de suprafață personalizabile.
**Finanțare și Suport**
Această lucrare a fost susținută de Fundația Mukai Science and Technology, Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251) și „Infrastructura Avansată de Cercetare pentru Materiale și Nanotehnologie în Japonia (ARIM)” a Ministerului Educației, Culturii, Sportului, Științei și Tehnologiei (MEXT) sub numărul de grant JPMXP1225JI0008.