Поглощение CO2 на пиридин-N-замещенном графене. Схематическое изображение пиридинового N на краю поры и -NH.2 у края поры и связывание этих групп с CO2. На схеме решетка графена состоит из атомов углерода, показанных коричневым цветом, пиридинового азота (синие атомы), замещенного по краям пор, первичных аминогрупп (светло-голубые) вблизи краев пор и графитового азота (фиолетовые атомы), включенного в состав решетка. СО2 Молекулы изображены двумя красными и белыми атомами, адсорбированными на решетке графена. Кредит: Природная энергия (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
Ученые из EPFL разработали усовершенствованные графеновые мембраны толщиной в атом с пиридиновым азотом по краям пор, демонстрирующие беспрецедентные характеристики в отношении CO.2 захватывать. Это знаменует собой значительный шаг на пути к более эффективным технологиям улавливания углерода.
Поскольку мир борется с изменением климата, потребность в эффективных и экономически выгодных технологиях улавливания углерода становится более острой, чем когда-либо. В этом духе ученые изучают ряд инноваций, направленных на радикальное сокращение промышленных выбросов углерода, что имеет решающее значение для смягчения глобального потепления.
Одним из них является улавливание, использование и хранение углерода (CCUS), важнейшая технология, которая снижает выбросы углекислого газа (CO).2) выбросы от трудно поддающихся сокращению промышленных источников, таких как электростанции, цементные заводы, сталелитейные заводы и мусоросжигательные заводы. Но нынешние методы улавливания основаны на энергоемких процессах, что делает их дорогостоящими и неустойчивыми.
Сейчас исследования направлены на разработку мембран, способных избирательно улавливать CO.2 с высокой эффективностью, тем самым снижая энергетические и финансовые затраты, связанные с CCS. Но даже самые современные мембраны, такие как тонкие полимерные пленки, имеют ограничения по выбросам CO.2 проницаемость и селективность, что ограничивает их масштабируемость.
Таким образом, задача состоит в том, чтобы создать мембраны, которые могут одновременно обеспечивать высокий уровень выбросов CO.2 проницаемость и селективность, имеющие решающее значение для эффективного улавливания углерода.
Команда ученых под руководством Кумара Варуна Агравала из EPFL совершила прорыв в этой области, разработав мембраны, демонстрирующие исключительный уровень CO.2 улавливает производительность за счет включения пиридинового азота по краям графеновых пор.
Мембраны обеспечивают замечательный баланс высокого содержания CO.2 проницаемость и селективность, что делает их весьма перспективными для различных промышленных применений. Работа опубликована в Природная энергия.
Исследователи начали с синтеза однослойных графеновых пленок с помощью химического осаждения из паровой фазы на медную фольгу. Они ввели поры в графен посредством контролируемого окисления озоном, в результате чего образовались поры, функционализированные атомами кислорода. Затем они разработали метод включения атомов азота на краях пор в форме пиридинового N путем реакции окисленного графена с аммиаком при комнатной температуре.
Исследователи подтвердили успешное включение пиридинового азота и образование CO.2 комплексы на краях пор с помощью различных методов, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. Включение пиридинового N значительно улучшило связывание CO.2 на порах графена.
Полученные мембраны показали высокий уровень CO.2/Н2 коэффициент разделения, в среднем 53 для газового потока, содержащего 20% CO.2. Примечательно, что потоки с содержанием CO около 1%.2достигнут коэффициент разделения выше 1000 из-за конкурентного и обратимого связывания CO.2 по краям пор, чему способствует пиридиновый азот.
Ученые также показали, что процесс подготовки мембран масштабируем, позволяя производить высокопроизводительные мембраны в сантиметровом масштабе. Это имеет решающее значение для практического применения, а это означает, что мембраны можно использовать в крупномасштабных промышленных условиях.
Высокая эффективность этих графеновых мембран по улавливанию CO2, даже из потоков разбавленного газа, может значительно снизить затраты и энергетические затраты на процессы улавливания углерода. Это нововведение открывает новые возможности в области мембранной науки, потенциально приводя к более устойчивым и экономичным решениям CCUS.
Единый и масштабируемый химический состав, используемый при создании мембран, означает, что их можно будет вскоре масштабировать. В настоящее время команда планирует производить эти мембраны непрерывным процессом с рулона на рулон. Универсальность и эффективность этих мембран могут изменить методы управления выбросами в промышленности и внести вклад в создание более чистой окружающей среды.
Больше информации:
Куанг-Юнг Сюй и др. Графеновые мембраны с пиридиновым азотом по краям пор для высокопроизводительного CO2 захватывать, Природная энергия (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
Предоставлено Федеральной политехнической школой Лозанны.
Цитирование: Графеновые мембраны толщиной в атом повышают эффективность улавливания углерода (24 июня 2024 г.), получено 25 июня 2024 г. с https://techxplore.com/news/2024-06-atom-thin-graphene-membranes-carbon.html.
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.
