Schematische Darstellung von porösem Graphen, das Pyridinstickstoff (dargestellt durch violette Kugeln) an den Porenrändern beherbergt. Die resultierende Membran ist hoch CO-selektiv2Bildnachweis: Dr. Kuang-Jung Hsu.
Die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen (CO₂) ist ein entscheidender Schritt zur Eindämmung des Klimawandels und zum Schutz der Umwelt der Erde. Eine der vorgeschlagenen Technologien zur Reduzierung der CO₂-Emissionen, insbesondere von Kraftwerken und Industriebetrieben, ist die Kohlenstoffabscheidung.
Bei der Kohlenstoffabscheidung wird CO₂ aus gemischten Gasemissionen abgetrennt und abgeschieden, um seine Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern. Ein Ansatz besteht darin, spezielle Membranen zu verwenden, die als selektive „Barrieren“ dienen und CO₂ durchlassen und absorbieren, während sie den Durchgang anderer Gase blockieren.
Bisher erwies sich die Entwicklung leistungsstarker, kostengünstiger Membranen zur CO₂-Abscheidung als schwierig. Dies hat das Potenzial dieser Lösungen für reale Anwendungen erheblich reduziert.
Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) stellten kürzlich neue Graphenmembranen vor, die eine leistungsstarke Kohlenstoffabscheidung ermöglichen könnten. Diese Membranen werden in einem Artikel vorgestellt, der in veröffentlicht wurde Natürliche Energiean ihren Porenrändern Pyridinstickstoff einbauen, was die Bindung von CO₂ an die Poren erleichtert.
„Wir wollten die Trennleistung von Graphenmembranen verbessern“, sagte Kumar Varoon Agrawal, korrespondierender Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Wir haben viel daran gearbeitet, die Porosität von Graphen zu erhöhen, die Porengrößenverteilung zu verbessern und den Poren Polymergruppen hinzuzufügen, um den CO2-Ausstoß zu verbessern2/NICHT2 Selektivität sowie die Erzielung eines hohen CO-Gehalts2 Durchlässigkeit. Allerdings haben wir entweder eine hohe Permeanz oder eine hohe Selektivität erhalten, aber nicht beides.“
Nachdem Agrawal und seine Kollegen die vorhandene Literatur durchgesehen und eigene Studien zur Entwicklung von Membranen zur Kohlenstoffabscheidung durchgeführt hatten, stellten sie fest, dass es immer noch an Membranen auf Graphenbasis mit hoher Selektivität und Permeanz mangelte. Um die Entwicklung dieser Lösungen voranzutreiben, machten sie sich daran, eine Methode zu entwickeln, die die Bindung von CO₂ an Graphenporen verbessern würde.
Die von ihnen vorgeschlagene Methode besteht darin, Ammoniak bei Raumtemperatur einer einzelnen Schicht oxidierten Graphens auszusetzen. Es wurde festgestellt, dass dieser Prozess Pyridinstickstoff an den Rändern der Membranporen einbaut, was die Bindung dieser Poren an CO stärkt2.
„Wir haben atomaren Stickstoff in Form von Pyridinstickstoff in die Graphenpore eingeführt“, sagte Agrawal. „Diese Form von Stickstoff hat eine starke Affinität zu CO2. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, da das Graphennetzwerk atomar dünn bleibt und es uns ermöglicht, sowohl eine hohe Selektivität als auch eine hohe Durchlässigkeit zu erreichen. »
Die Forscher fanden heraus, dass ihre Methode Membranen mit einem vielversprechenden durchschnittlichen CO-Gehalt produzierte.2/NICHT2 Trennfaktor von 53 und einem durchschnittlichen CO2 Permeanz von 10.420 aus einem Fluss, der 20 Vol.-% CO enthält2. Für verdünntes CO2 Bei einem Volumenprozentanteil von ca. 1 erreichte die Membran Trennfaktoren über 1000.
„Wir konnten den Einbau von Pyridin N mit einer einfachen Methode erreichen, indem wir einfach poröses Graphen in Ammoniak einweichen“, sagte Agrawal. „Wir haben festgestellt, dass dies zu einer bemerkenswerten CO-Verbesserung führte2/NICHT2 Selektivität bei gleichzeitiger Beibehaltung einer außergewöhnlichen Durchlässigkeit. Darüber hinaus führte dies zu extrem hohen CO-Konzentrationen2/NICHT2 Selektivität für verdünntes CO2 „Feed, über 1.000, was äußerst attraktiv ist. »
Die von Agrawal und Kollegen entwickelten Graphenmembranen und der zu ihrer Herstellung verwendete Ansatz könnten neue Wege für die groß angelegte Implementierung von Techniken zur Kohlenstoffabscheidung eröffnen. Forscher arbeiten derzeit daran, die Membranen zu skalieren und ihre Herstellung durch Rollensynthese zu vereinfachen, um ihre zukünftige Kommerzialisierung zu erleichtern.
Mehr Informationen:
Kuang-Jung Hsu et al., Graphenmembranen mit Pyridinstickstoff an Porenrändern für leistungsstarke CO2-Verbrennung2 erfassen, Natürliche Energie (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
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Zitat:Hochselektive Graphenmembranen verbessern die Effizienz der CO₂-Abscheidung (2024, 6. Juli), abgerufen am 6. Juli 2024 von https://phys.org/news/2024-07-high-graphene-membranes-capture-Efficiency.html
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