Nadmiar dwutlenku węgla w atmosferze to jeden z palących problemów, z jakimi mierzy się świat. Aby go rozwiązać, stosuje się różne metody sekwestracji, czyli wyłapywania CO2. Jednak, gdy specjalne materiały (adsorbery) pochłoną gaz, trzeba go z nich jakoś usunąć, by mogły pracować w kolejnym cyklu.
Obecnie regeneracja adsorberów odbywa się głównie poprzez wygrzewanie ich w wysokich temperaturach. Generuje to koszty i pochłania olbrzymie ilości energii. A gdyby tak udało się uwolnić uwięziony w materiałach dwutlenek węgla przy pomocy światła widzialnego?
– Idea była taka, aby opracować materiał porowaty, w którym będziemy mogli kontrolować ilość adsorbowanego i desorbowanego dwutlenku węgla za pomocą światła, ale w tym wypadku światła o bardzo niskiej energii, czyli światła widzialnego. Ze względów technologicznych i przyjazności dla środowiska jest to oczywiście dużo lepsze niż wykorzystanie światła ultrafioletowego. Jest to światło o niższej energii, dostępne, więc koszt naświetlania światłem widzialnym jest dużo niższy – opowiada dr Danowski.
Porowate szkielety aromatyczne
W swoim badaniu naukowcy postanowili przetestować nowe porowate szkielety aromatyczne (PAFs), w które uprzednio wszczepiono tysiące mikroskopijnych, wrażliwych na światło cząsteczek ortofluorowanego azobenzenu.
– Ten materiał porowaty to tzw. poromatic framework. Na pewno wiele osób kojarzy go z niedawną Nagrodą Nobla z chemii z 2025 roku dla Susumu Kitagawy, Richarda Robsona i Omara M. Yaghiego za metal-organic frameworks, czyli porowate szkielety metalo-organiczne. Natomiast my wykorzystujemy porowate szkielety aromatyczne, porous aromatic frameworks, i tu są dwie kluczowe różnice między tymi materiałami. Nasze są czysto organiczne, nie ma w nich żadnego metalu oraz są dużo bardziej stabilne. Produkuje się je poprzez wytworzenie bardzo silnego wiązania węgiel-węgiel – opisuje naukowiec.
W praktyce eksperyment polegał na zamknięciu tego nowatorskiego, gęstego ciała stałego w zbiorniku i poddawaniu go działaniu czystego gazu pod różnym ciśnieniem. Mierząc spadki ciśnienia, badacze dokładnie wiedzieli, ile dwutlenku węgla przeniknęło do wnętrza struktury, czyli jak dużo dwutlenku węgla zostało pochłonięte przez materiał. Kiedy był on już nasycony gazem, do akcji wkraczało zielone światło, czyli centralna część widma światła widzialnego.
– Sprawdzamy, jak materiał porowaty absorbuje dwutlenek węgla. Stopniowo dozujemy coraz większe ciśnienie czystego gazu i mierzymy, jak dużo zostało zaabsorbowane. Potem możemy po prostu przekręcić zawór i podłączyć cały zbiornik z naszym materiałem i gazem do próżni, która ten gaz oczywiście wyciągnie. Natomiast możemy również naświetlić ten materiał zielonym światłem i to, przy tym samym ciśnieniu, spowoduje uwolnienie gazu – tłumaczy badacz.
Naukowcy udowodnili, że uwięziony wewnątrz materiału gaz można uwolnić na zawołanie (tzw. desorpcja), „drażniąc” chemiczną gąbkę promieniami światła, co zastępuje dotychczasowe drogie wygrzewanie.
Co ma dwutlenek węgla do… banana
Tajemnica tego niezwykłego mechanizmu kryje się w procesie przypominającym działanie wzroku. Nasze oczy rejestrują światło m. in. dzięki cząsteczce o nazwie retinal, która pod wpływem fotonów błyskawicznie zmienia swój kształt w procesie tzw. izomeryzacji.
– Retinal to fotoresponsywna cząsteczka, którą mamy w oku. Tworzy ona kompleks z białkiem opsyną i razem odpowiadają za detekcję fotonów, detekcję światła. Retinal w naszym oku ulega izomeryzacji fotochemicznej. Akt ten powoduje kaskadę procesów, które w naszym mózgu odbierane są jako światło – mówi mgr Cieciórski.
Wbudowane w porowaty szkielet sztuczne przełączniki działają na tej samej zasadzie. Przed naświetlaniem mają one płaski, liniowy kształt i zajmują niewiele miejsca. Jednak, gdy padnie na nie zielone światło, natychmiast wyginają się w formę przypominającą… banana.
– Tutaj mamy bardzo podobną cząsteczkę. Ona pod wpływem światła ulega takiej samej reakcji chemicznej – izomeryzacji, czyli zmienia swój kształt z liniowego na bardziej zgięty, bananowy, podobny do bumerangu. Kształt liniowy zajmuje mniej miejsca w przestrzeni, natomiast ten kształt zgięty więcej. I to jest cała tajemnica. Gdy wystawimy nasz materiał na światło widzialne, ulegnie on izomeryzacji. Kształt się zmienia, jest mniej miejsca w materiale, mniej porów, mniej pustej przestrzeni i po prostu pochłania on mniej dwutlenku węgla – mówi badacz.
Zmiana kształtu sprawia, że fotoprzełączniki zaczynają zajmować znacznie więcej miejsca wewnątrz ciasnych porów, dosłownie wypychając nagromadzony tam wcześniej dwutlenek węgla na zewnątrz.
Ciemna strona chemii
Aby precyzyjnie przeprowadzić badanie, naukowcy musieli zachować szczególną ostrożność. Ponieważ przełączniki reagują na światło widzialne, praca z materiałem wymagała stworzenia specyficznych warunków. Próbki musiały być przechowywane w ciemnym szkle, pracowano przy wyłączonym świetle, szczelnie zasłoniętych oknach i sprzęcie owiniętym folią aluminiową. Jak wspomina dr Danowski, taka praca w zaciemnieniu, bez stymulującego niebieskiego światła, okazała się dla badaczy wyjątkowo usypiająca.
Gąbka wytrzyma wszystko
Zaskakujące, jak bardzo wytrzymała jest ta nowo stworzona „chemiczna gąbka”. Zbudowano ją z jednych z najsilniejszych występujących w chemii wiązań węglowo-węglowych, co w przeciwieństwie do popularnych struktur kowalencyjnych czy metalo-organicznych czyni ją praktycznie niezniszczalną.
Szkielet zniesie temperatury sięgające nawet 330°C bez oznak rozkładu. Najciekawsze jednak było, gdy do próbki zostały wpuszczone dwa różne gazy. Ku zaskoczeniu naukowców, materiał okazał się całkowicie nieporowaty, czyli zamknięty, na azot, a jednocześnie bez problemu chłonął dwutlenek węgla.
– Najbardziej zaskakujące było to, że materiał, w którym jest najwięcej fotoresponsywnych jednostek, tych azobenzenów, z perspektywy azotu jako gazu próbkowego okazał się w ogóle nieporowaty, czyli nie ma w nim dla azotu miejsca. Natomiast z perspektywy CO2 jako gazu próbkowego, okazał się bardzo porowaty i pochłaniał CO2. Dzieje się tak ze względu na, nie wchodząc w szczegóły, silne oddziaływania pomiędzy dwutlenkiem węgla a aromatycznym szkieletem materiału – tłumaczy dr Danowski.
Ta selektywność pozwala marzyć o idealnych filtrach do separacji gazów cieplarnianych.
Chemiczna supermoc
W przeciwieństwie do wielu produkowanych dotąd materiałów, u których reakcja następowała tylko w wierzchnich warstwach, porowate szkielety aromatyczne ulegają zmianom pod wpływem światła w całej swojej objętości (to tzw. zjawisko bulk isomerization).
– Dodatkową zaletą azobenzenów, które wykorzystywaliśmy jest to, że absorbują bardzo dużo światła w zakresie ultrafioletu, ale już w zakresie światła widzialnego bardzo mało. Więc to światło jest w stanie spenetrować w zakresie widzialnym cały materiał pomimo to, że cząsteczki są bardzo gęsto upakowane. Izomeryzacja i odpowiedź na światło widzialne jest bardzo wydajna i selektywna, ale to też jest właściwość tych szkieletów. Dlatego wybraliśmy je do badania – opowiada naukowiec.
Odkrycia międzynarodowego zespołu, którego członkiem jest dr Wojciech Danowski dają nadzieję, że przemysł będzie mógł zrezygnować z drogiego i energochłonnego wygrzewania materiałów filtrujących spaliny. Zamiast tego do uwolnienia wychwyconego dwutlenku węgla i zregenerowania chemicznej gąbki wystarczy tanie i powszechne światło widzialne.
Obecnie innowacyjny materiał najlepiej radzi sobie z wyłapywaniem bardzo stężonego dwutlenku węgla, na przykład uchodzącego prosto z kominów fabrycznych. Naukowcy mają już jednak plany na kolejne lata. Zamierzają dalej zwiększać zagęszczenie świetlnych przełączników wewnątrz struktury, aby jeszcze precyzyjniej sterować wielkością porów. To pozwoli im skuteczniej oddzielać od siebie różne gazy.
Być może kiedyś uda się opracować technologię, która, po zaprzęgnięciu dodatkowych reakcji chemicznych, wyłapie CO2 nawet z powietrza, którym oddychamy na co dzień.
