Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Capturing of CO2 with solid, enzyme inspired non volatile sorbents.

Tildelt: kr 8,0 mill.

I dette prosjektet forsøker vi å lage materialer som kopierer naturens måte å fange inn CO2 på. Fotosyntese er en av naturens største og viktigste prosesser. Det første trinnet i denne prosessen er en svært selektiv innfangning av CO2 fra atmosfæren. Denne CO2 fangsten gjøres av enzymet RuBisCO. Strukturen til dette enzymet med bundet CO2 ble nylig beskrevet (2012) slik at vi nå vet hvordan CO2 bindes i dette enzymet. Både form og ladning på det aktive sete i enzymet får CO2 til å passe som hånd i en hanske. Dette er grunnen til at plantene klarer å binde CO2 selv om konsentrasjonen i luft bare er 400 ppm (Det vil si at nitrogen molekyler treffer det samme stedet i enzymet 2000 ganger oftere enn CO2). Utfordringen er å lage syntetiske materialer som har tilsvarende selektivitet over for CO2, men uten å binde CO2 for sterkt, for da vil det koster for mye energi å frigjøre CO2 fra adsorbenten. Dette er hovedproblemet med eksiterende prosesser. I dette prosjektet forsøker vi å tilpasse den indre, og enormt store overflaten (overflatearealer på 1000 til 6000 m2/g materiale) til en ny type materialer MOF (Metal Organic Framework) som er hybrid organisk uorganiske materialer.  Den organiske delen av overflaten kan tilpasses slik at de funksjonelle gruppene ligner det aktive senteret i enzymer samtidig som de mer robuste uorganiske hjørnesteinene gjør materialet tilstrekkelig robust til å tåle de mekaniske påkjenningene store separasjonsanlegg vil kreve. Alle funksjonelle grupper i enzymer er dannet av aminosyrer, enten ved at de direkte utgjør den funksjonelle gruppen eller ved at aminosyrene binder et metallatom og at samspillet mellom metallet og omliggende aminosyrer daner et sammensatt aktivt senter. I den siste publikasjonen  (4) beskrives en metode som gjør det mulig å bygge alle de kjente aminosyrene inn i UiO-type Zr-MOFer.  En videreføring av dette som gjør det mulig å aktivt kontrollere plasseringen i forhold til hverandre er under patentering (September 2016). Dette vil muliggjøre en aktiv konstruksjon av katalytisk aktive sentere nær absorbsjons-senteret slik at det fangete CO2 molekylet kan omdannes til større organiske forbindelser som enten vil være lettere å lagre eller kan brukes videre som råstoff for nye kjemiske prosesser.  Dette er enzymene virker, plantene bruker det fangete CO2 til å lage sukker og stivelse med hjelp av energi fra sollyset. I prosjektet er det utviklet ny miljøvennlig syntesemetode for framstilling av disse materialene. Der vann brukes som løsningsmiddel slik at materialene kan produseres uten bruk av giftige eller farlige kjemikalier. Denne metoden tilfredsstiller kraven for å kunne klassifiseres som «grønn» kjemi.  Dette er avgjørende for en industriell oppskalering av produksjonen.  Dette prosjektet har vært viktig for etableringen av oppstarts selskapet ProfMOF AS som kan levere disse materialene i kg mengder til industri og forskningsinstitusjoner som utvikler anvendelser.

The main challenge for the 21st century is to reduce CO2 emission generated from our use of fossil fuel and facilitate a transition to renewable energy sources. New materials that are able to adsorb CO2 with a high selectivity and with the right adsorptio n enthalpy are essential both for carbon capture materials and in catalysts for CO2 activation. J. Long et al have in a recent review discussed possible solutions to CO2 capture from a materials scientist?s perspective. Modified metal organic frameworks (MOFs) are among the most promising materials. Our aim is to utilize the knowledge obtained from recent elucidation of the chemical nature and structure of active sites in enzymatic CO2 capture and activation. Theoretical tools will be used to evaluate the interaction between CO2 and simplified versions of these active sites in order to select the most promising structures. Candidate active centers will be designed within MOF structures starting with the tagged versions of zirconium based UiO-66 and ch romium based MIL-101 MOF materials. These structures are selected because of their complimentary cage structure and high thermal and chemical stability that allow secondary chemical modifications and application in humid conditions. Based on our acquired skills in both direct and secondary synthesis of MOF materials will we develop methods to synthesize these enzyme-like structures inside crystalline porous adsorbents. New materials will be characterized to understand the host-CO2 interaction and this kno wledge will then be used to improve the next generation of materials which will be evaluated as catalysts and adsorbents. The main goals are to understand the interaction between CO2 and the active site, to develop computational skills in modeling of hos t-CO2 interactions and to develop our methods to introduce the model structures into porous crystalline materials.

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering