Představujeme materiál budoucnosti pro technologie zachytávání CO2 v průmyslu a energetice

Oxid uhličitý se stal jednou z největších výzev moderního průmyslu. Přestože nejúčinnější cestou zůstává omezení jeho vzniku, některá odvětví budou i v budoucnosti potřebovat technologie, které dokážou CO₂ zachytit přímo z emisních proudů nebo dokonce z ovzduší. Klíčem k jejich rozšíření mohou být nové materiály s přesně řízenou strukturou, které dokážou oxid uhličitý účinně vázat, pracovat opakovaně a zároveň snížit energetickou náročnost celého procesu. Významný krok v tomto směru přinesl tým českých a slovenských vědců, který zkoumal nové kompozitní porézní materiály schopné účinnějšího zachytávání CO₂.

Zachytávání oxidu uhličitého patří mezi technologie, které mohou významně ovlivnit budoucnost energetiky a průmyslové výroby. Především v oblastech, jako je výroba cementu, oceli, chemický průmysl nebo některé energetické provozy, není možné všechny emise odstranit pouze přechodem na obnovitelné zdroje nebo změnou výrobních postupů. U těchto sektorů vzniká CO₂ přímo v technologických procesech, například při chemickém rozkladu vápence při výrobě cementu. Právě zde mohou materiály schopné selektivně zachytit oxid uhličitý sehrát důležitou roli.

Současné technologie zachytávání uhlíku často využívají kapalné absorbenty, například roztoky aminů, které dokážou CO₂ účinně oddělit od ostatních plynů. Jejich slabinou však zůstává vysoká energetická spotřeba při následném uvolňování zachyceného oxidu uhličitého. Materiál se musí zahřát, aby se CO₂ oddělil a mohl být dále využit nebo uložen. Právě spotřeba energie při regeneraci patří mezi hlavní překážky širšího průmyslového využití těchto technologií.

Výzkumníci proto hledají pevné porézní materiály, které by dokázaly oxid uhličitý zachytávat účinněji a s menší energetickou náročností. Jejich princip připomíná mikroskopickou houbu. Materiál obsahuje obrovské množství drobných pórů, které vytvářejí rozsáhlý vnitřní povrch. Molekuly CO₂ se na tento povrch navazují, zatímco ostatní složky plynné směsi mohou procházet dál. Výsledná účinnost závisí nejen na velikosti pórů, ale také na chemickém složení jejich povrchu a síle vazby mezi materiálem a molekulami oxidu uhličitého.

Právě na vlastnosti těchto vazeb se zaměřil tým vědců z Ostravské univerzity a Slovenské akademie věd. Výzkumníci z Ostravské univerzity, Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košicích a Slovenské akademie věd zkoumali různé typy pokročilých porézních materiálů a sledovali, jakým způsobem se na ně oxid uhličitý váže. Cílem bylo zjistit, které struktury umožňují nejúčinnější zachycení plynu a jak vlastnosti materiálu ovlivňují celý proces.

Na výzkumu se podíleli například vědci z Katedry chemie Přírodovědecké fakulty Ostravské univerzity. Doktor Tomáš Zelenka popsal, že důležitým cílem bylo pochopit chování CO₂ při kontaktu s různými materiály a přesně určit energii, s jakou se plyn na jednotlivá místa v materiálu váže. Výzkumníci využili kombinaci experimentálních měření a podrobné analýzy dat, která umožnila odhalit rozdíly mezi jednotlivými strukturami.

Vědci použili uhlíkatý materiál ve formě pevného monolitu a do jeho struktury zabudovali velmi malé krystaly speciální sloučeniny organokovové sítě (tzv. MOF), oba materiály dokáží na sebe vázat oxid uhličitý. Výsledný materiál obsahuje obrovské množství drobných dutin, do kterých se mohou zachytávat plyny. Celý materiál byl navíc upraven tak, aby lépe přitahoval molekuly CO₂.

Výsledky ukázaly, že významnou roli hrají takzvané kompozitní materiály kombinující porézní struktury s uhlíkem. Tyto materiály dokázaly zachytávat CO₂ účinněji než samotný uhlík. Důvodem je kombinace vlastností jednotlivých složek. Uhlík poskytuje stabilní základnu s velkým povrchem, zatímco speciálně navržené porézní struktury umožňují přesnější zachytávání molekul oxidu uhličitého.

Velký význam má také možnost upravit materiál podle konkrétního použití. Jiný požadavek bude mít zařízení zachytávající CO₂ ze spalin elektrárny, jiné vlastnosti bude potřebovat technologie určená k přímému zachytávání oxidu uhličitého z atmosféry. V obou případech je však rozhodující stejný princip. Materiál musí mít vysokou kapacitu, dlouhou životnost, možnost opakovaného využití a nízké náklady na výrobu.

Nové porézní materiály proto představují jednu z cest k efektivnějším technologiím zachytávání uhlíku. Nejde pouze o schopnost navázat co největší množství CO₂. Pro skutečné průmyslové využití musí materiál vydržet tisíce cyklů zachycení a uvolnění plynu, nesmí rychle ztrácet své vlastnosti a jeho výroba musí být ekonomicky i energeticky smysluplná.

Dalším krokem bude ověřování těchto materiálů v podmínkách bližších reálnému provozu. Laboratorní výsledky ukazují potenciál, ale průmyslová zařízení přinášejí další požadavky. Spaliny obsahují vodní páru, oxidy dusíku, síru a další látky, které mohou ovlivnit životnost sorbentů. Budoucí výzkum proto bude směřovat nejen k maximální účinnosti, ale také k odolnosti a praktické využitelnosti.

Samotné zachycení oxidu uhličitého však není konečným cílem. Zachycený CO2 představuje koncentrovaný proud uhlíku, se kterým lze dále pracovat. Budoucnost těchto technologií proto nespočívá pouze v oddělení oxidu uhličitého od ostatních plynů, ale také v nalezení způsobů, jak jej využít jako surovinu. Místo toho, aby byl vnímán pouze jako odpadní produkt, může se stát vstupním materiálem pro další průmyslové procesy.

Jednou z možností je využití CO2 v chemickém průmyslu. Oxid uhličitý lze využít například při výrobě syntetických paliv, chemických meziproduktů, polymerů nebo dalších materiálů s přidanou hodnotou. Pomocí chemických reakcí lze molekulu CO2 přeměnit na látky, které mohou nahradit část surovin získávaných z fosilních zdrojů. Tento přístup vytváří cestu k uzavírání uhlíkového cyklu, kdy uhlík nemusí být pouze jednorázově uvolněn do atmosféry, ale může opakovaně procházet průmyslovým využitím.

Významnou oblastí je také výroba syntetických paliv. Zachycený oxid uhličitý lze kombinovat například s vodíkem vyrobeným pomocí obnovitelné elektřiny a vytvářet tak syntetický metan, metanol nebo další kapalná paliva. Tyto technologie mohou najít uplatnění zejména v odvětvích, kde je obtížné přímé využití elektřiny, například v letecké nebo námořní dopravě. Podmínkou však zůstává, aby potřebná energie pocházela z nízkoemisních zdrojů, jinak by celkový přínos pro klima byl omezený.

Další možnost představuje mineralizace oxidu uhličitého, při které se CO₂ chemicky váže do stabilních minerálních struktur. Tento proces napodobuje přirozený mechanismus, kdy horniny postupně reagují s oxidem uhličitým a vytvářejí uhličitany. V průmyslu by bylo možné tento princip využít například při výrobě stavebních materiálů, kde by zachycený uhlík zůstal dlouhodobě uložen v pevné podobě.

Zajímavý potenciál nabízí také využití CO2 v potravinářství, zemědělství nebo při pěstování rostlin ve sklenících. Oxid uhličitý je nezbytný pro fotosyntézu a jeho dodávání do kontrolovaných podmínek může podporovat růst rostlin. Tato aplikace však pracuje pouze s částí celkového množství emisí a nemůže sama o sobě řešit průmyslové objemy oxidu uhličitého.

Největší význam budou mít pravděpodobně kombinovaná řešení, kdy část zachyceného CO₂ najde využití jako surovina a část bude dlouhodobě uložena například v geologických strukturách. Dlouhodobé ukládání se předpokládá zejména v hlubokých slaných akviferech nebo ve vytěžených ložiscích ropy a zemního plynu, kde může být oxid uhličitý bezpečně uložen po tisíce let. Rozhodující bude ekonomická i energetická bilance celého procesu. Zachytit oxid uhličitý a následně jej přeměnit na jiný produkt má smysl pouze tehdy, pokud množství energie potřebné k celému procesu nepřevýší přínos v podobě snížení emisí.

Nové kompozitní sorbenty proto nejsou pouze nástrojem pro odstraňování CO₂ z průmyslových plynů. Mohou se stát prvním článkem širšího řetězce, ve kterém se oxid uhličitý zachytí, převede na využitelnou surovinu a znovu zapojí do hospodářského oběhu. Právě spojení pokročilých materiálů, čisté energie a nových průmyslových postupů může rozhodnout o tom, zda se podaří proměnit oxid uhličitý z problému na součást budoucí cirkulární ekonomiky.