Studi Ilmuwan menggunakan model komputer yang kuat digabungkan dengan percobaan laboratorium untuk mempelajari bagaimana jenis tanah liat dapat menyerap karbon dioksida dan menyimpannya
Tingkat karbon dioksida di atmosfer, yang merupakan gas yang sangat baik untuk menangkap panas dan memperkuat perubahan iklim, hampir mencapai dua kali lipat dari tingkat sebelum revolusi industri, meskipun hanya membentuk 0,0415% dari udara yang kita hirup. Mari kita simak pembahsannya.
Mengapa Perlu untuk Menyerap Karbon?
Hutan Amazon
Penyerapan dan penyimpanan karbon adalah proses penangkapan karbon dioksida berlebih dari atmosfer Bumi dan menyimpannya dalam tanah dengan tujuan untuk mengurangi dampak perubahan iklim seperti cuaca ekstrem, peningkatan ketinggian air laut dan kekeringan dan kebakaran hutan yang lebih sering. Karbon dioksida ini bisa diambil dari pembangkit listrik yang membakar bahan bakar fosil, atau fasilitas industri lain seperti kiln semen, atau langsung dari udara, yang lebih menantang dari segi teknologi. Penyerapan dan penyimpanan karbon dianggap salah satu teknologi yang paling sedikit kontroversial yang dapat diterapkan untuk intervensi iklim.
“Kami ingin energi dengan biaya rendah tanpa merusak lingkungan,” kata Susan Rempe, seorang bioengineer Sandia dan ilmuwan senior di proyek tersebut. “Kami bisa hidup dengan cara yang tidak menghasilkan sebanyak karbon dioksida, tapi kami tidak bisa mengontrol apa yang dilakukan tetangga kami. Penyerapan secara langsung karbon dioksida melalui udara sangat penting untuk mengurangi jumlah karbon dioksida di udara dan mengatasi karbon dioksida yang dilepaskan oleh tetangga kami.”
Ho membayangkan bahwa perangkat berbasis tanah liat bisa digunakan seperti spons untuk menyerap karbon dioksida, dan kemudian karbon dioksida bisa ditekan keluar dari spons dan disemprotkan dalam tanah. Atau tanah liat bisa digunakan seperti filter untuk menangkap karbon dioksida dari udara untuk disimpan.
Selain murah dan banyak tersedia, tanah liat juga stabil dan memiliki luas permukaan yang tinggi – terdiri dari banyak partikel mikroskopik yang pada gilirannya memiliki retakan dan celah sekitar seratus ribu kali lebih kecil dari diameter rambut manusia. Celah-celah kecil ini disebut “nanoscale”, dan sifat kimia bisa berubah dalam “nanoscale ini, kata Rempe.
Ini bukanlah pertama kalinya Rempe mempelajari material nanostruktur untuk menangkap karbon dioksida. Sebenarnya, dia adalah bagian dari tim yang mempelajari katalis biologis untuk mengubah karbon dioksida menjadi bikarbonat yang stabil dengan air, menyesuaikan membran tipis nanostruktur untuk melindungi katalis biologis dan menerima
Bagaimana caranya untuk Menstimulasi “nanoscale”?
Nanoscale
Molecular dynamics adalah jenis simulasi komputer yang memperhatikan pergerakan dan interaksi atom dan molekul pada skala nanometer. Dengan melihat interaksi ini, ilmuwan dapat menghitung seberapa stabil suatu molekul dalam lingkungan tertentu – seperti dalam “nanoscale” tanah liat yang terisi air.
“Simulasi molekular benar-benar adalah alat yang kuat untuk mempelajari interaksi pada skala molekuler,” kata Ho. “Ini memungkinkan kami untuk memahami sepenuhnya apa yang terjadi di antara CO2, air, dan tanah liat, dan tujuannya adalah menggunakan informasi ini untuk membuat material tanah liat untuk aplikasi penangkapan karbon.”
Dalam hal ini, simulasi molecular dynamics yang dilakukan oleh Ho menunjukkan bahwa CO2 dapat jauh lebih stabil di “nanoscale” tanah liat yang lembab daripada air murni, kata Ho. Ini karena atom air tidak membagikan elektronya dengan merata, sehingga membuat satu ujung sedikit positif bertanda dan ujung lain sedikit negatif. Di sisi lain, atom CO2 membagikan elektronya dengan merata dan seperti minyak yang dicampur dengan air, CO2 lebih stabil dekat dengan molekul yang serupa, seperti daerah silikon-oksigen dari tanah liat, kata Rempe.
Kolaborator dari Universitas Purdue yang dipimpin oleh Profesor Cliff Johnston baru-baru ini menggunakan percobaan untuk memastikan bahwa air yang dikurung dalam “nanoscale” tanah liat menyerap lebih banyak CO2 daripada air murni, kata Ho.
Peneliti pascadoktor Sandia, Nabankur Dasgupta, juga menemukan bahwa di daerah seperti minyak di dalam “nanoscale”, membutuhkan energi yang lebih sedikit untuk mengubah CO2 menjadi asam karbonat dan membuat reaksi lebih diuntungkan dibandingkan dengan konversi yang sama dalam air murni, kata Ho. Dengan membuat konversi ini menjadi menguntungkan dan membutuhkan energi yang lebih sedikit, akhirnya daerah seperti minyak tanah liat membuat mungkin untuk menangkap lebih banyak CO2 dan menyimpannya dengan lebih mudah, tambahnya.
Hingga saat ini Tanah Liat adalah Bahan yang Baik untuk Menyerap Karbon Dioksida
Jenis Tanah Liat, sumber: 99.co
“Sampai saat ini, ini menunjukkan bahwa tanah liat adalah bahan yang baik untuk menangkap karbon dioksida dan mengubahnya menjadi molekul lain,” kata Rempe. “Dan kami memahami mengapa hal ini terjadi, sehingga orang-orang sintesis dan insinyur dapat memodifikasi bahan untuk meningkatkan hal itu. Simulasi juga dapat memandu eksperimen untuk menguji hipotesis baru.”
Langkah berikutnya untuk proyek ini adalah menggunakan simulasi dinamika molekuler dan eksperimen untuk menemukan cara untuk membuat karbon dioksida keluar dari”nanoscale”, kata Ho. Pada akhir proyek tiga tahun, mereka berencana membayangkan perangkat penangkapan karbon dioksida langsung berbasis tanah liat.
Proyek ini didanai oleh Program Penelitian dan Pengembangan Direktorat Laboratorium Sandia. Penelitian dilakukan, sebagian, di Pusat Integrasi Nanoteknologi, fasilitas pengguna Ilmu Pengetahuan yang diterapkan oleh Departemen Energi oleh Sandia dan Los Alamos National Laboratories.
Sandia National Laboratories adalah laboratorium multi-misi yang dioperasikan oleh National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, anak perusahaan sepenuhnya dari Honeywell International Inc., untuk National Nuclear Security Administration Departemen Energi AS. Sandia Labs memiliki tanggung jawab utama dalam ketegangan nuklir, keamanan global, pertahanan, teknologi energi dan daya saing ekonomi, dengan fasilitas utama di Albuquerque, New Mexico, dan Livermore, California.
Referensi
ScienceDaily, https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230209141518.htm Diakses pada 15 Februari, 2023.
Nabankur Dasgupta, Tuan A. Ho, Susan B. Rempe, Yifeng Wang. Hydrophobic Nanoconfinement Enhances CO2 Conversion to H2CO3. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2023; 1693 DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00124