Wysokoselektywne membrany grafenowe zwiększają wydajność wychwytywania CO₂

6 lipca 2024 feature

Ten artykuł został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• zweryfikowany faktograficznie
• publikacja recenzowana przez ekspertów
• zaufane źródło
• korekta

napisane przez Ingrid Fadelli, Phys.org

Redukcja emisji dwutlenku węgla (CO₂) jest kluczowym krokiem w kierunku łagodzenia zmian klimatycznych i ochrony środowiska na Ziemi. Jedną z proponowanych technologii redukcji emisji CO₂, szczególnie z elektrowni i zakładów przemysłowych, jest wychwytywanie dwutlenku węgla.

Wychwytywanie dwutlenku węgla polega na oddzieleniu CO₂ od emisji gazów mieszanych i jego zatrzymaniu, aby zapobiec uwolnieniu do atmosfery. Jednym ze sposobów na to jest użycie specjalnych membran, które działają jako selektywne 'bariery', umożliwiając przepływ CO₂ przez nie i jego absorpcję, jednocześnie blokując przepływ innych gazów.

Jak dotąd opracowanie wysokowydajnych i tanich membran zdolnych do wychwytywania CO₂ okazało się wyzwaniem. To znacznie ograniczyło potencjał tych rozwiązań w zastosowaniach praktycznych.

Naukowcy z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) niedawno wprowadzili nowe membrany grafenowe, które mogą umożliwić wysokowydajne wychwytywanie dwutlenku węgla. Te membrany, przedstawione w artykule opublikowanym w Nature Energy, zawierają pirydynowy azot na krawędziach porów, co ułatwia wiązanie CO₂ z porami.

'Chcieliśmy poprawić wydajność separacji membran grafenowych,' powiedział Kumar Varoon Agrawal, autor korespondencyjny artykułu, Phys.org. 'Wykonaliśmy dużo pracy nad zwiększeniem porowatości grafenu, poprawą rozkładu rozmiaru porów i dodawaniem grup polimerowych do porów w celu poprawy selektywności CO2/N2 oraz uzyskania wysokiej przepuszczalności CO2. Jednak albo uzyskiwaliśmy wysoką przepuszczalność, albo wysoką selektywność, ale nie oba.'

Po przeanalizowaniu dotychczasowej literatury i przeprowadzeniu własnych badań nad opracowaniem membran do wychwytywania dwutlenku węgla, Agrawal i jego koledzy zdali sobie sprawę, że membrany oparte na grafenie wykazujące zarówno wysoką selektywność, jak i przepuszczalność wciąż brakują. Aby zmierzać w kierunku rozwoju tych rozwiązań, postanowili opracować metodę poprawiającą wiązanie CO₂ z porami grafenu.

Proponowana przez nich metoda polega na narażeniu utlenionego grafenu jednowarstwowego na działanie amoniaku w temperaturze pokojowej. Okazało się, że proces ten wprowadza pirydynowy azot na krawędziach porów membrany, co zwiększa wiązanie tych porów z CO₂.

'Wprowadziliśmy atomowy N do porów grafenu w formie pirydynowego N,' powiedział Agrawal. 'Ta forma N ma wysokie powinowactwo do CO₂. To podejście jest korzystne, ponieważ sieć grafenowa pozostaje atomowo cienka i pozwala nam uzyskać zarówno wysoką selektywność, jak i przepuszczalność.'

Naukowcy odkryli, że ich metoda doprowadziła do powstania membran o obiecującym średnim wskaźniku separacji CO2/N2 wynoszącym 53 i średniej przepuszczalności CO₂ wynoszącej 10,420 z strumienia zawierającego 20 vol% CO₂. Dla rozcieńczonego strumienia CO₂ o objętości ~1%, membrana osiągnęła wskaźniki separacji powyżej 1,000.

'Mogliśmy przeprowadzić wprowadzenie pirydynowego N prostą metodą, po prostu mocząc porowaty grafen w amoniaku,' powiedział Agrawal. 'Zauważyliśmy, że to doprowadziło do znacznej poprawy selektywności CO2/N2 przy jednoczesnym utrzymaniu wyjątkowej przepuszczalności. Co więcej, to doprowadziło do uzyskania niezwykle wysokiej selektywności CO2/N2 dla rozcieńczonego strumienia CO₂, powyżej 1,000, co jest niezwykle atrakcyjne.'

Więcej informacji: Journal information: Nature Energy

© 2024 Science X Network