High-selectivity graphene membranes enhance CO₂ capture efficiency -> High-selectivity graphene membranes förbättrar CO₂-upptagningseffektiviteten
6 juli 2024 feature
Denna artikel har granskats enligt Science X's editoriella process och principer. Redaktörer har markerat följande egenskaper samtidigt som innehållets trovärdighet har säkerställts:
- faktagranskad
- peer-reviewed publikation
- pålitlig källa
- korrigerad
av Ingrid Fadelli , Phys.org
Att minska koldioxidutsläppen (CO₂) är ett avgörande steg mot att mildra klimatförändringarna och skydda miljön på jorden. En föreslagen teknik för att minska CO₂-utsläpp, särskilt från kraftverk och industriella anläggningar, är koldioxidavskiljning.
Koldioxidavskiljning innebär separering av CO₂ från blandade gasutsläpp och fånga upp det för att förhindra dess utsläpp i luften. Ett sätt att göra detta är att använda speciella membran som fungerar som selektiva 'barriärer,' vilket tillåter CO₂ att passera genom dem och absorbera det, medan de blockerar andra gasers passage.
Hittills har utvecklingen av högpresterande och kostnadseffektiva membran som kan fånga upp CO₂ visat sig vara utmanande. Detta har kraftigt reducerat potentialen för dessa lösningar i verkliga tillämpningar.
Forskare vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) presenterade nyligen nya grafenmembran som skulle kunna möjliggöra högpresterande koldioxidavskiljning. Dessa membran, som presenteras i en artikel publicerad i Nature Energy, innehåller pyridinisk kväve vid sina porränder, vilket underlättar bindningen av CO₂ till dess porer.
'Vi försökte förbättra separationsprestandan hos grafenmembran,' berättade Kumar Varoon Agrawal, motsvarande författare till artikeln, för Phys.org. 'Vi hade gjort mycket arbete med att öka porositeten i grafen, förbättra storleksfördelningen av porer och lägga till polygrupper till poren för att förbättra CO₂/N₂-selektiviteten samt uppnå hög CO₂-genomsläpplighet. Men vi fick antingen hög genomsläpplighet eller hög selektivitet, men inte båda.'
Efter att ha granskat tidigare litteratur och genomfört egna studier med inriktning på att utveckla membran för koldioxidavskiljning, insåg Agrawal och hans kollegor att grafenbaserade membran med både hög selektivitet och genomsläpplighet fortfarande saknades. För att gå vidare med utvecklingen av dessa lösningar satte de sig som mål att utarbeta en metod som skulle förbättra bindningen av CO₂ till grafenporer.
Metoden de föreslog innebär att utsätta ammoniak för oxiderat enlagersgrafen vid rumstemperatur. Denna process visade sig inkorporera pyridinisk kväve vid kanterna av membranets porer, vilket ökar bindningen av dessa porer med CO₂.
'Vi introducerade atomärt N vid grafenporerna i form av pyridinisk N,' sade Agrawal. 'Denna form av N har en hög affinitet för CO₂. Denna metod är fördelaktig eftersom grafenstrukturen förblir atomtunn och tillåter oss att uppnå både hög selektivitet och genomsläpplighet.'
Forskarna fann att deras metod ledde till membran med en lovande genomsnittlig CO₂/N₂-separationsfaktor på 53 och en genomsnittlig CO₂-genomsläpplighet på 10 420 från en ström som innehöll 20 vol% CO₂. För en utspädd CO₂-ström med en volymprocent på ~1, uppnådde membranet separationsfaktorer över 1 000.
'Vi kunde utföra inkorporering av pyridinisk N genom en enkel metod, genom att helt enkelt blötlägga poröst grafen i ammoniak,' sade Agrawal. 'Vi märkte att detta ledde till en anmärkningsvärd förbättring i CO₂/N₂-selektiviteten samtidigt som exceptionell genomsläpplighet bibehölls. Dessutom, detta ledde till extremt hög CO₂/N₂-selektivitet för utspädd CO₂-söm, över 1 000, vilket är mycket attraktivt.'
Grafenmembranen utvecklade av Agrawal och hans kollegor och metoden som används för att tillverka dem kan öppna nya möjligheter för storskalig implementering av koldioxidavskiljningstekniker. Forskarna arbetar nu på att skala upp membranen och förenkla deras tillverkning genom roll-to-roll-syntes för att underlätta deras framtida kommersialisering.
Journal information: Nature Energy
© 2024 Science X Network
