Membrany grafenowe zwiększają skuteczność wychwytywania dwutlenku węgla

W miarę jak świat walczy ze zmianami klimatycznymi, zapotrzebowanie na wydajne i opłacalne technologie wychwytywania dwutlenku węgla staje się pilniejsze niż kiedykolwiek. Mając to na uwadze, naukowcy badają szereg innowacji mających na celu znaczną redukcję przemysłowych emisji gazów cieplarnianych, co ma kluczowe znaczenie w łagodzeniu globalnego ocieplenia.

Jedną z takich technologii jest wychwytywanie, utylizacja i składowanie dwutlenku węgla (CCUS), ważna technologia zmniejszająca dwutlenek węgla (CO).₂) Emisje pochodzące ze źródeł przemysłowych, które są trudne do ograniczenia, takich jak elektrownie, cementownie, huty stali i spalarnie śmieci. Jednak obecne metody wychwytywania opierają się na procesach energochłonnych, co czyni je kosztownymi i niezrównoważonymi.

Obecnie badania mają na celu opracowanie membran, które mogą selektywnie wychwytywać dwutlenek węgla₂ Wysoka wydajność, redukująca koszty energii i finansowe związane z CCS. Jednak nawet nowoczesne membrany, takie jak cienkie folie polimerowe, mają ograniczenia pod względem emisji CO2₂ przepuszczalność i selektywność, co ogranicza jego skalowalność.

Wyzwanie polega więc na stworzeniu membran, które mogą jednocześnie wytwarzać wysoki procent dwutlenku węgla₂ Przepuszczalność i selektywność mają kluczowe znaczenie dla skutecznego wychwytywania dwutlenku węgla.

Zespół naukowców kierowany przez Kumara Varuna Agrawala z EPFL poczynił znaczne postępy w tej dziedzinie, opracowując membrany charakteryzujące się wyjątkową zawartością dwutlenku węgla₂ Uchwyć wydajność poprzez wprowadzenie azotu pirydynowego na krawędziach porów grafenu. Membrany osiągają niezwykłą równowagę w stosunku do wysokiej zawartości dwutlenku węgla₂ przepuszczalność i selektywność, co czyni go bardzo obiecującym w różnych zastosowaniach przemysłowych. Praca została opublikowana w czasopiśmie Nature Energy.

Naukowcy rozpoczęli od złożenia jednowarstwowych folii grafenowych za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej na folii miedzianej. Wprowadzili pory do grafenu poprzez kontrolowane utlenianie ozonem, w wyniku czego utworzyły się funkcjonalne pory dla atomu tlenu. Następnie opracowali metodę łączenia atomów azotu na krawędzi porów w postać pirydynowego N w drodze reakcji utlenionego grafenu z amoniakiem w temperaturze pokojowej.

Naukowcy potwierdzili sukces łączenia azotu pirydynowego i tworzenia dwutlenku węgla₂ Kompleksy na krawędziach porów identyfikowano za pomocą różnych technik, takich jak rentgenowska spektroskopia fotoelektronów i skaningowa mikroskopia tunelowa. Włączenie pirydynowego N znacząco poprawiło wiązanie CO₂ O porach grafenu.

Otrzymane membrany wykazały wysoki współczynnik separacji CO/N, średnio 53 dla strumienia gazu zawierającego 20% CO2.₂. Co ciekawe, strumienie zawierają około 1% dwutlenku węgla₂osiągnęły współczynniki separacji powyżej 1000 dzięki konkurencyjnemu i odwracalnemu wiązaniu dwutlenku węgla₂ Na krawędziach porów ułatwia to azot pirydynowy.

Naukowcy wykazali również, że proces przygotowania membran jest skalowalny, co pozwala uzyskać membrany o wysokiej wydajności w skali centymetrowej. Ma to kluczowe znaczenie w zastosowaniach praktycznych, co oznacza, że ​​membrany można stosować w dużych środowiskach przemysłowych.

Wysoka wydajność tych membran grafenowych w wychwytywaniu dwutlenku węgla₂, nawet ze strumieni rozcieńczonych gazów, może znacząco obniżyć koszty i zapotrzebowanie na energię operacji wychwytywania dwutlenku węgla. Ta innowacja otwiera nowe horyzonty w dziedzinie nauki o membranach, potencjalnie prowadząc do bardziej zrównoważonych i ekonomicznych rozwiązań CCUS.

Standaryzowany i skalowalny skład chemiczny zastosowany do wytworzenia membran oznacza, że ​​wkrótce będzie można je zwiększyć na większą skalę. Zespół pracuje obecnie nad produkcją tych folii w procesie ciągłego nawijania. Wszechstronność i wydajność tych membran może zmienić sposób, w jaki przemysł zarządza swoimi emisjami i przyczynić się do czystszego środowiska.

Inni współpracownicy

Laboratorium EPFL Materiałów Energii Odnawialnej