בופר פוספט מוצק משפר ביצועי לכידת CO2 ומאפשר תפעול דל-אנרגיה בספחים ממותכים באמינים

מדוע לכידת פחמן יעילה חשובה

הפחתת פליטות פחמן דו-חמצני (CO2) היא מרכזית להאטת שינוי האקלים, אך טכנולוגיות לכידת היום לעיתים מבזבזות אנרגיה רבה. המחקר הזה חוקר גישה חדשה ללכידת CO2 מזרמי גז באמצעות חומרים מוצקים מהונדסים במיוחד, שאינם רק קושרים יותר CO2, אלא עושים זאת במהירות גבוהה יותר ובאנרגיה נמוכה יותר. העבודה עשויה לעזור להפוך לכידה נרחבת של פחמן לזולה ומעשית יותר עבור תחנות כוח ומתקני תעשייה.

ספוג חכם יותר לפחמן

מערכות רבות כיום מסתמכות על כימיקלים נוזליים שסופחים CO2 אך עלולים לקרב את הציוד ודורשים חימום גבוה לשחרור הגז שוב. חומרי מוצק המצופים במולקולות ידידותיות ל-CO2 שנקראות אמינים הופיעו כחלופה מבטיחה: הם קלים יותר לטיפול, יציבים יותר, ובפוטנציה צורכים פחות אנרגיה. עם זאת, ה"ספוגים" המוצקים האלה נתקלים בפשרה תובענית בשלושה מימדים. הוספת יותר אמינים יכולה להגדיל את כושר הקישור של CO2, אך לרוב מאטה את קצב החדירה של CO2 דרך החומר ומשתווה להעלות את אנרגיית השחרור. המחברים שאפו לשבור את הפשרה בין קיבולת–מהירות–אנרגיה.

שימוש במלח עדין לארגון הפנימי

הצוות עבד על תמיכת סיליקה מזופרלית — חשבו עליה כמסגרת קשיחה בסגנון ספוג מלאה בתעלות זעירות — שנשאה אמין שכיח בשם טטראאתילינפנטאמין (TEPA). לאחר מכן הוסיפו למבנה זה מלח פוספט מוצק פשוט, די־הידרוגן פוספט נתרן. התוסף ממלא שני תפקידים. ראשית, הוא מסייע לפזר את ה-TEPA בצורה אחידה יותר בתוך הנקבוביות, ומונע גושים עבים ודביקים שחוסמים נתיבים ומאיטים תנועת גז. מדידות שטח פנים, נפח נקבוביות ותמונות מיקרוסקופיות הראו כי החומר המטופל בפוספט שמר על תעלות פתוחות יותר ועל ציפוי אחיד יותר מהגרסה שלא טופלה, אף על פי ששניהם הכילו את אותו כמות אמין.

מעביר פרוטונים מיקרוסקופי

התפקיד השני, והעדין יותר, של הפוספט הוא לפעול כמעין מעביר מיקרוסקופי לפרוטונים — חלקיקים טעונים זעירים שמועברים כאשר CO2 נקשר ומשתחרר מהאמינים. בחומרי אמין מוצקים רגילים, העברת הפרוטונים בין אתרי התגובה יכולה להיות איטית ותובענית מבחינת אנרגיה. על ידי יצירת אזורים קטנים של בופר המורכב משתי צורות פוספט שיכולות בקלות לקבל או לאבד פרוטון, החומר המתוקן יוצר מעין "כביש פרוטונים" שמאיץ את השלבים הללו. מכלול של טכניקות, כולל תהודה מגנטית גרעינית, ספקטרוסקופיית רמן ומדידות חשמליות, הראו סימנים ברורים לכך שהפוספט וקבוצות האמין מתקשרים זה עם זה ושהעברת הפרוטון קלה יותר בחומר המתוקן.

לכידה מהירה יותר, שחרור קל יותר, אנרגיה נמוכה יותר

השיפורים בביצועים מרשימים. בתנאי בדיקה ריאליסטיים, הספח הממוטב שהותאם בפוספט לכד כ-19% יותר CO2 לגרם מהגרסה שלא טופלה. הוא הגיע ל-90% מהקיבולת המלאה שלו ב-28% מהזמן, דבר המעיד על קליטה מהירה הרבה יותר. לא פחות חשוב, הוא שחרר את CO2 ביתר קלות כאשר הוחמם, וקיצץ את האנרגיה הדרושה לרגנרציה ב-27%. שיפורים אלה נובעים גם משיפור בזרימת הגז דרך הנקבוביות וגם מאפקט מעביר הפרוטונים שמוריד את החסם האנרגטי לצעדים הכימיים המרכזיים. החומר גם שרד היטב מחזורים חוזרים, כאשר איבד רק חלק קטן מהקיבולת לאחר שימושים מרובים, וניסויי הגדלה הראו שהגישה מתאימה גם לאצוות גדולות יותר.

מה משמעות הדבר ללכידת פחמן בעתיד

במילים פשוטות, החוקרים עיצבו ספוג CO2 חכם שסופג יותר פחמן, פועל מהר יותר וקל יותר לסחיטה. באמצעות ניהול קפדני של הסידור של המולקולות הפעילות בתוך הנקבוביות ובנייה של תחנות ריליי מיקרוסקופיות לפרוטונים, הם מתגברים על הפשרה ששררה זמן רב בין כמה CO2 אפשר לקשור, כמה מהר זה קורה וכמה אנרגיה זה עולה. האסטרטגיה הכפולה הזאת מספקת מתווה לחומרי לכידת פחמן בדור הבא שיכולים להוזיל ולהרחיב באופן ניכר את היכולת להגיע להפחתות עמוקות בפליטות.

ציטוט: Zhang, S., Liu, Y., Huang, Y. et al. Solid phosphate buffers boost CO₂ capture performance and enable energy-lean operation in amine-functionalized adsorbents. Commun Chem 9, 167 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-02014-6

מילות מפתח: לכידת פחמן, ספחים מוצקים, חומרי אמין, מעביר פרוטונים, הסרת CO2 יעילה מבחינת אנרגיה