Kunci Penangkapan Karbon yang Efisien?

Penelitian yang dilakukan oleh Laboratorium Nasional Oak Ridge mengenai magnesium oksida untuk penangkapan karbon menunjukkan adanya perlambatan laju penyerapan seiring waktu karena pembentukan lapisan permukaan, sehingga menimbulkan tantangan terhadap kelayakan ekonomi dan memandu penelitian yang berfokus pada solusi di masa depan.

Magnesium oksida merupakan bahan yang menjanjikan untuk menangkap karbon dioksida langsung dari atmosfer dan menyuntikkannya jauh ke bawah tanah untuk membatasi dampak perubahan iklim. Namun, untuk membuat metode ini ekonomis diperlukan penemuan laju penyerapan karbon dioksida dan bagaimana kondisi lingkungan mempengaruhi reaksi kimia yang terlibat.

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) Departemen Energi menganalisis serangkaian sampel kristal magnesium oksida yang terpapar ke atmosfer selama beberapa dekade, dan sampel lainnya selama berhari-hari hingga berbulan-bulan, untuk mengukur laju reaksi. Mereka menemukan bahwa karbon dioksida diserap lebih lambat dalam jangka waktu yang lebih lama karena lapisan reaksi yang terbentuk pada permukaan kristal magnesium oksida.

“Lapisan reaksi ini merupakan campuran kompleks dari berbagai padatan, yang membatasi kemampuan molekul karbon dioksida untuk menemukan magnesium oksida segar untuk bereaksi. Untuk menjadikan teknologi ini ekonomis, kami sekarang mencari cara untuk mengatasi efek perlindungan ini,” kata Juliane Weber dari ORNL, peneliti utama proyek tersebut. Andrew Stack, ilmuwan di ORNL dan anggota tim proyek, melanjutkan: “Jika kita bisa melakukannya, proses ini mungkin dapat mencapai tujuan Carbon Negative Energy Earthshot yaitu menangkap karbon dioksida dalam jumlah gigaton dari udara dengan biaya kurang dari $100 per metrik ton karbon dioksida.”

Sebagian besar penelitian sebelumnya, yang bertujuan untuk memahami seberapa cepat reaksi kimia magnesium oksida dan karbon dioksida terjadi, mengandalkan perhitungan kasar daripada pengujian bahan. Studi ORNL menandai pertama kalinya pengujian multidekade dilakukan untuk menentukan laju reaksi dalam skala waktu yang lama. Dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi di Pusat Ilmu Material Nanophase, atau CNMS, di ORNL, para peneliti menemukan bahwa lapisan reaksi terbentuk. Lapisan ini terdiri dari berbagai fase terhidrasi dan karbonat kristalin dan amorf yang kompleks.

“Selain itu, dengan melakukan beberapa simulasi komputer pemodelan transportasi reaktif, kami menentukan bahwa seiring bertambahnya lapisan yang bereaksi, lapisan tersebut menjadi lebih baik dalam menghalangi karbon dioksida untuk menemukan magnesium oksida segar untuk bereaksi,” kata peneliti ORNL, Vitaliy Starchenko. “Oleh karena itu, ke depan, kami mencari cara untuk melewati proses ini sehingga karbon dioksida dapat menemukan permukaan baru untuk bereaksi.”

Simulasi komputer membantu ilmuwan dan insinyur memahami bagaimana lapisan yang bereaksi berevolusi dan mengubah cara zat bergerak melewatinya seiring waktu. Model komputer memungkinkan prediksi mengenai reaksi dan pergerakan material dalam sistem alam dan rekayasa, seperti ilmu material dan geokimia.

Referensi: “Perlindungan MgO oleh Lapisan Pasifasi Menghambat Penangkapan CO2 Langsung di Udara” oleh Juliane Weber, Vitalii Starchenko, Ke Yuan, Lawrence M. Anovitz, Anton V. Ievlev, Raymond R. Unocic, Albina Y. Borisevich, Matthew G. Boeinger dan Andrew G. Stack, 22 September 2023, Sains & Teknologi Lingkungan.
DOI: 10.1021/acs.est.3c04690

Kantor Ilmu Pengetahuan DOE terutama mendukung pekerjaan ini. Program Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium ORNL mendukung waktu penerbangan, atau TOF, spektrometri massa ion sekunder, atau SIMS, dan mikroskop elektron transmisi awal, atau TEM. Mikroskopi kekuatan atom TOF-SIMS dan karakterisasi TEM dilakukan sebagai bagian dari proyek pengguna di CNMS, fasilitas pengguna DOE Office of Science di ORNL.