Hoogselectieve grafeenmembranen verbeteren de CO₂-afvangsefficiëntie

6 juli 2024 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens Science X's editoriaal proces en beleid. Editoren hebben de volgende kenmerken benadrukt om de geloofwaardigheid van de inhoud te waarborgen:

• feiten geverifieerd
• peer-reviewed publicatie
• vertrouwde bron
• gecorrigeerd

door Ingrid Fadelli , Phys.org

Het verminderen van koolstofdioxide (CO₂)-emissies is een cruciale stap in het verminderen van klimaatverandering en het beschermen van het milieu op aarde. Een voorgestelde technologie voor het verminderen van CO₂-uitstoot, met name van energiecentrales en industriële instellingen, is koolstofafvang.

Koolstofafvang houdt het scheiden van CO₂ van gemengde gasemissies in en het opvangen ervan om te voorkomen dat het in de lucht wordt vrijgegeven. Een manier om dit te doen is het gebruik van speciale membranen die dienen als selectieve ‘barrières’, waardoor CO₂ erdoorheen kan en het absorbeert, terwijl de doorgang van andere gassen wordt geblokkeerd.

Tot nu toe is het ontwikkelen van membranen met hoge prestaties en lage kosten die CO₂ kunnen opvangen een uitdaging gebleken. Dit heeft het potentieel van deze oplossingen voor toepassingen in de echte wereld aanzienlijk verminderd.

Onderzoekers aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben recentelijk nieuwe grafeenmembranen geïntroduceerd die hoge prestaties bij koolstofafvang mogelijk kunnen maken. Deze membranen, gepresenteerd in een artikel gepubliceerd in Nature Energy, bevatten pyridinestikstof aan de rand van hun poriën, wat de binding van CO₂ aan de poriën vergemakkelijkt.

'We wilden de scheidingsprestaties van grafeenmembranen verbeteren,' vertelde Kumar Varoon Agrawal, corresponderende auteur van het artikel, aan Phys.org. 'We hadden veel werk verricht in het verhogen van de porositeit in grafeen, het verbeteren van de grootteverdeling van poriën, en het toevoegen van polymeergroepen aan de porie om de selectiviteit van CO2/N2 te verbeteren evenals het verkrijgen van hoge CO2-permeantie. Echter, we verkregen ofwel hoge permeantie of hoge selectiviteit, maar niet beide.'

Na het bekijken van eerdere literatuur en het uitvoeren van hun eigen studies gericht op het ontwikkelen van membranen voor koolstofafvang, realiseerden Agrawal en zijn collega's zich dat grafeengebaseerde membranen met zowel hoge selectiviteit als permeantie nog steeds ontbraken. Om richting de ontwikkeling van deze oplossingen te gaan, wilden ze een methode ontwikkelen die de binding van CO₂ aan grafeenporiën zou verbeteren.

De voorgestelde methode houdt in dat ammoniak wordt blootgesteld aan geoxideerde enkellaags grafeen bij kamertemperatuur. Dit proces bleek pyridinestikstof in de randen van de poriën van het membraan op te nemen, wat de binding van deze poriën met CO2 vergrootte.

'We introduceerden atomair N aan de grafeenporie in de vorm van pyridinic N,' zei Agrawal. 'Deze vorm van N heeft een hoge affiniteit voor CO2. Deze aanpak is gunstig omdat de grafeenrooster dun blijft en ons in staat stelt zowel hoge selectiviteit als permeantie te verkrijgen.'

De onderzoekers ontdekten dat hun methode leidde tot membranen met een veelbelovende gemiddelde CO2/N2 scheidingsfactor van 53 en een gemiddelde CO2-permeantie van 10.420 vanuit een stroom die 20 vol% CO2 bevatte. Voor een verdunde CO2-stroom met een volume % van ~1, bereikte het membraan scheidingsfactoren boven 1.000.

'We konden pyridinic N opnemen door een eenvoudige methode, eenvoudigweg poreus grafeen weken in ammoniak,' zei Agrawal. 'We merkten dat dit leidde tot een opmerkelijke verbetering in CO2/N2 selectiviteit terwijl de uitzonderlijke permeantie behouden bleef. Ook leidde dit tot een extreem hoge CO2/N2 selectiviteit voor verdunde CO2-toevoeren, boven 1.000, wat extreem aantrekkelijk is.'

De grafeenmembranen ontwikkeld door Agrawal en zijn collega's en de aanpak die is gebruikt om ze te fabriceren kunnen nieuwe kansen openen voor de grootschalige implementatie van koolstofafvangtechnieken. De onderzoekers werken nu aan het opschalen van de membranen en het vereenvoudigen van hun fabricage door roll-to-roll synthese, om hun toekomstige commercialisering te vergemakkelijken.

Tijdschriftinformatie: Nature Energy

© 2024 Science X Network