Kulstof-elskende materialer designet til at reducere industrielle emissioner

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, Knoxville, fremmer gasmembranmaterialer for at udvide praktiske teknologiske muligheder for at reducere industrielle kulstofemissioner.

Resultater offentliggjort i Chem demonstrere en fremstillingsmetode for membranmaterialer, der kan overvinde nuværende flaskehalse i selektivitet og permeabilitet, nøglevariabler, der driver kulstoffangende ydeevne i virkelige miljøer.

"Ofte er der en afvejning i, hvor selektiv eller hvor gennemtrængelig du kan lave membraner, der filtrerer kuldioxid ud uden at lade andre gasser passere igennem. Det ideelle scenario er at skabe materialer med høj permeabilitet og selektivitet, " sagde Zhenzhen Yang fra UT's Department of Chemistry.

Gasmembraner er en lovende, men stadig udviklende teknologi til at reducere efterforbrænding eller røggasemissioner produceret af fossilt brændte industrier.

Konceptet er enkelt:en tynd, porøs membran fungerer som et filter til udstødningsgasblandinger, selektivt tillader kuldioxid, eller CO ₂ , at strømme frit ind i en solfanger, der holdes under reduceret tryk, men forhindrer ilt, nitrogen og andre gasser fra at følge med.

I modsætning til eksisterende kemiske metoder til at fange CO ₂ fra industrielle processer, Membranerne er nemme at installere og kan fungere uden opsyn i lange perioder uden yderligere trin eller ekstra energiomkostninger. Fangsten er den nye, omkostningseffektive materialer er nødvendige for at opskalere teknologien til kommerciel anvendelse.

"Gasmembraner har brug for tryk på den ene side og typisk et vakuum på den anden for at opretholde et frit strømningsmiljø, derfor er materialernes selektivitet og permeabilitet så vigtig for at udvikle teknologien, " sagde Ilja Popovs fra ORNL's Chemical Sciences Division. "Underpræsterende materialer kræver mere energi for at skubbe gasser gennem systemet, så avancerede materialer er nøglen til at holde energiomkostningerne lave. "

Ingen naturlige og kun få syntetiske materialer har overskredet det, der kaldes Robesons øvre grænse, en kendt grænse, der begrænser, hvor selektive og permeable de fleste materialer kan være, før disse hastigheder begynder at falde.

Materialer med tilstrækkelig høj selektivitet og permeabilitet til effektive gasseparationer er sjældne og ofte fremstillet af dyre udgangsmaterialer, hvis produktion kræver enten lang og kedelig syntese eller dyre overgangsmetalkatalysatorer.

"Vi satte os for at teste en hypotese om, at indføring af fluoratomer i membranmaterialer kan forbedre kulstofopsamlings- og separationsydelse, " sagde Yang.

Grundstoffet fluor, bruges til at fremstille forbrugerprodukter såsom teflon og tandpasta, tilbyder kuldioxid-file egenskaber, der gør det attraktivt til kulstoffangst applikationer. Det er også bredt tilgængeligt, hvilket gør det til en relativt overkommelig mulighed for billige fremstillingsmetoder. Forskning i fluorholdige gasmembraner har været begrænset på grund af grundlæggende udfordringer ved at inkorporere fluor i materialer for at realisere dets kulstof-elskende funktionalitet.

"Vores første skridt var at skabe en unik fluorbaseret polymer ved hjælp af enkle kemiske metoder og kommercielt tilgængelige udgangsmaterialer, " sagde Yang.

Næste, forskere transformeret, eller kulsyreholdig, materialet ved hjælp af varme for at give det den porøse struktur og funktionalitet, der er nødvendig for at fange CO ₂ . Totrinsprocessen bevarede de fluorerede grupper og forstærkede CO ₂ selektivitet i det endelige materiale, overvinde en grundlæggende forhindring, der er stødt på i andre syntetiske metoder.

"The approach resulted in a carbon dioxide-philic material with high surface area and ultra-micropores that is stable in high-temperature operating conditions, " Yang said. "All of these factors make it a promising candidate for carbon-capture and separation membranes."

The material's novel design contributes to its exceptional performance, observed in high selectivity and permeability rates that exceed the Robeson upper limit, something only a handful of materials have accomplished.

"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.

The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.

Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO ₂ , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO ₂ emissions.