Forskere udvikler 2D nanoark til bæredygtig kulstoffangst

Global opvarmning er blevet tilskrevet den kraftige stigning i varmefangende drivhusgasemissioner, især CO₂ emissioner. Carbon capture-teknologi, såsom brug af adsorbenter til at opfange og lagre CO₂ fra den omgivende luft, er en lovende løsning til at mindske emissionerne.

Flydende sorbenter bruges traditionelt til kulstoffangst, men de lider under udstyrskorrosion, høje omkostninger og høje energikrav til regenerering. For at overvinde disse begrænsninger, faste porøse materialer til CO₂ adsorption – hvori CO₂ atomer klæber til overfladen af ​​det faste materiale - bliver udforsket.

I sin forskning i kulstoffangst vendte lektor Wu Ping fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) sig til glimmer, et billigt og rigeligt lermineral med forskellige anvendelser.

Glimmer danner pladelignende aluminiumoxid-silikatlag forbundet med mellemlags kaliumkationer gennem ionbindinger. Den komplekse struktur gør det imidlertid udfordrende at adskille glimmer i enkelte eller få lag for at danne todimensionelle (2D) nanoark, der er befordrende for CO₂ fange. Metoder udviklet af tidligere undersøgelser har også krævet lange reaktionstider og højt energiforbrug.

For at udvikle en effektiv metode til at producere 2D glimmer nanoark, samarbejdede Assoc Prof Wu og hans SUTD-team med forskere fra Agenturet for Videnskab, Teknologi og Forskning (A*STAR). De udgav deres forskningsartikel "Effektiv syntese af 2D glimmer nanoark ved hjælp af solvotermiske og mikrobølge-assisterede teknikker til CO₂ capture applications" i Materials.

"Med udgangspunkt i vores seneste gennembrud inden for mekanokemi har vi innovativt kombineret teknikkerne fra mikrobølgekemi og solvotermisk mekanokemi. Ved at udnytte energien fra mikrobølger og solvotermiske processer var vi i stand til at omdanne denne energi til belastningsenergi inden for fast-væske-gas-grænseflader, lette syntesen af ​​eksfolierede glimmer (eMica) nanoark Disse handlinger resulterer i hurtig eksfoliering og væsentligt reduceret reaktionstid," forklarede professor Wu.

Forskerholdet kombinerede naturlig glimmer med kaliumhydroxid i et polært opløsningsmiddel inde i en lukket reaktionsbeholder. Denne reaktion blev derefter opvarmet i en mikroovn, hvorved energi blev overført til det mikrobølgeabsorberende polære opløsningsmiddel og reaktanterne. Sammen med det selvgenererede tryk inde i beholderen blev glimmeret hurtigt eksfolieret med en betydeligt reduceret reaktionstid. Det mikrobølgebehandlede glimmer blev derefter sonikeret for yderligere at udvide og adskille lagene. Efter flere oprensningsrunder havde holdet syntetiseret eMica nanoark.

Sammenlignet med bulk glimmer er lag af eMica nanoark mere ensartede i lateral størrelse og tykkelse. Desuden udviser eMica nanoark et ordnet atomarrangement, hvilket indikerer deres høje kvalitet og minimale defekter.

Associate Prof Wu og team undersøgte derefter potentialet i nanoarkene for CO₂ fange applikationer. De fandt ud af, at CO₂ adsorptionskapaciteten for eMica nanoark var 87 % højere end for bulk glimmer. Selvom andre typer adsorptionsmaterialer i litteraturen har vist en højere kapacitet, overgik eMica nanoplader stadig andre lermineraler, der er blevet modificeret til kulstoffangst.

Den overlegne CO₂ adsorptionskapacitet af eMica nanoark kan tilskrives et højt specifikt overfladeareal og porøsitet mellem dets udvidede lag. Det specifikke overfladeareal af dette 2D-materiale var steget mere end fem gange fra 29,1 m ² /g i bulk glimmer til 171,3 m ² /g i nanoarkene. Porøsiteten af ​​nanoarkene var også dramatisk højere, idet porevolumenet steg syv gange, fra 0,145 cc/g i bulk glimmer til 1,022 cc/g i eMica nanosheets.

CO₂ adsorption kunne også være blevet forstærket af aflejringer af kaliumcarbonat (K₂ CO₃ ) på nanopladerne, som dannes, når kaliumkationer i glimmer reagerer med vand og CO₂ i luften. Holdet understøttede denne hypotese med computersimuleringer, der demonstrerede en K₂ CO₃ aflejret glimmer monolag, der klarer sig bedre end både bulk glimmer og et glimmer monolag i CO₂ adsorption_.

Mekanisk, CO₂ opfanges af eMica nanoark primært gennem fysisk adsorption, hvilket danner svagere elektrostatiske tiltrækninger med overfladen. Dette står i kontrast til de stærkere ionbindinger, der dannes, når CO₂ absorberes kemisk på nanopladens overflade, hvilket forekommer i mindre omfang. Denne fremherskende fysisorptionsmekanisme ville muliggøre lettere CO₂ desorption og regenerering af eMica nanoark.

Forskerholdet fandt ud af, at nanoarkene var i stand til at opretholde en stærk adsorptionskapacitet, når de blev udsat for cykliske adsorptions-/desorptionstest, hvilket demonstrerede genvindeligheden og stabiliteten af ​​eMica nanoarkene. Assoc Prof Wu mener, at denne forskning vil være af interesse for elproduktionssektoren, miljø- og reguleringsorganer og andre forskere, der forfølger nye materialer og teknologier til CO₂ fange. Derudover bidrager hans forskning til SUTD's bæredygtighedsplaner.

"CO₂ fangst er et vigtigt aspekt af reduktion af drivhusgasemissioner, et centralt fokusområde for SUTD's bæredygtighedsstrategi. Vores arbejde med at udvikle en effektiv syntesemetode stemmer overens med universitetets vægt på bæredygtig drift samt bæredygtig uddannelse og forskning," kommenterede han.

Assoc Prof Wu har som mål at udvikle en skalerbar metode til glimmer-eksfoliering og udforske anvendelserne af glimmer til vandrensning.

"Den skalerbare fremstilling af 2D-materialer ved hjælp af bæredygtige og omkostningseffektive metoder kan have betydelige konsekvenser for industrien og samfundet, såsom at reducere kulstofemissioner og forbedre energieffektiviteten. Samlet set håber vi, at denne forskning vil fremme vores forståelse af 2D-materialer og deres potentiale. applikationer og bidrage til udviklingen af ​​bæredygtige og innovative teknologier," sagde han.

Flere oplysninger: P. Vishakha T. Weerasinghe et al., Effektiv syntese af 2D glimmer nanoark ved hjælp af solvotermiske og mikrobølge-assisterede teknikker til CO2-opsamlingsapplikationer, materialer (2023). DOI:10.3390/ma16072921

Leveret af Singapore University of Technology and Design