Атом-тонкие графеновые мембраны делают улавливание углерода более эффективным

Поглощение CO2 на пиридино-N-замещенном графене.Схематическая иллюстрация пиридинового n на краю пор и -nh2 вблизи края пор и связывание этих групп с CO2.В схеме графеновая решетка состоит из атомов углерода, показанных в коричневом, с пиридиновым азотом (голубыми атомами), заменившими на краях пор, первичные аминные группы (голубой) вблизи краев пор и графитового азота (пурпурные атомы) включены врешетка.Молекулы CO2 изображены двумя красными и белыми атомами, адсорбируются на графеновой решетке.Кредит: Nature Energy (2024).Doi: 10.1038/s41560-024-01556-0

Ученые в EPFL разработали усовершенствованные графеновые мембраны с точкой атомов с пиридино-азотом на краях пор, демонстрируя беспрецедентную производительность в захвате CO2.Это знаменует собой значительный шаг к более эффективным технологиям улавливания углерода.

Поскольку мировые сражаются с изменением климата, необходимость эффективных и экономически эффективных технологий улавливания углерода является более неотложной, чем когда-либо.В этом ключе ученые исследуют ряд инноваций, чтобы кардинально сократить промышленные выбросы углерода, что имеет ключевое значение для смягчения глобального потепления.

Одним из них является захват углерода, использование и хранение (CCU), критическая технология, которая снижает выбросы углекислого газа (CO2) от трудолюбивых промышленных источников, таких как электростанции, цементные фабрики, сталелитейные заводы и мусоросжигательные заводы.Но текущие методы захвата основаны на энергоемких процессах, что делает их дорогостоящими и неустойчивыми.

В настоящее время исследования направлены на разработку мембран, которые могут избирательно захватить CO2 с высокой эффективностью, тем самым снижая энергетические и финансовые затраты, связанные с CCS.Но даже современные мембраны, такие как полимерные тонкие пленки, ограничены с точки зрения проницаемости и селективности CO2, что ограничивает их масштабируемость.

Таким образом, задача состоит в том, чтобы создать мембраны, которые могут одновременно предлагать высокую проницаемость и селективность CO2, решающие для эффективного захвата углерода.

Команда ученых во главе с Кумаром Варузоном Агравал в EPFL в настоящее время провела прорыв в этой области, разрабатывая мембраны, которые показывают исключительную производительность захвата CO2, включив пиридиновый азот на краях пор графена.

Мембраны наносят замечательный баланс высокой проницаемости и селективности CO2, что делает их очень многообещающими для различных промышленных применений.Работа опубликована в Nature Energy.

Исследователи начали с синтеза однослойных графеновых пленок, используя химическое осаждение паров на медной фольге.Они ввели поры в графен посредством контролируемого окисления озоном, который образовал функционализированные поры кислорода.Затем они разработали метод для включения атомов азота на краю пор в форме пиридинового N путем реагирования окисленного графена аммиаком при комнатной температуре.

Исследователи подтвердили успешное включение пиридинового азота и образование комплексов CO2 на краях пор с использованием различных методов, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая микроскопия.Включение пиридинового N удивительно улучшило связывание CO2 на порте графена.

Полученные мембраны показали высокий коэффициент разделения CO2/N2, в среднем 53 для газового потока, содержащего 20% CO2.Примечательно, что потоки с примерно 1% CO2, достигнуты факторами разделения выше 1000 из -за конкурентного и обратимого связывания CO2 на краях пор, облегченного пиридиновым азотом.

Ученые также показали, что процесс подготовки мембраны масштабируется, создавая высокоэффективные мембраны в сантиметровом масштабе.Это важно для практических применений, что означает, что мембраны могут быть развернуты в крупномасштабных промышленных условиях.

Высокая производительность этих графеновых мембран при захвате CO2, даже из -за разбавленных газовых потоков, может значительно снизить затраты и потребности в энергии процессов захвата углерода.Это инновация открывает новые возможности в области мембранной науки, что может привести к более устойчивым и экономичным решениям CCUS.

Единая и масштабируемая химия, используемая при создании мембран, означает, что их можно скоро увеличить.Сейчас команда стремится произвести эти мембраны с помощью непрерывного процесса рулона.Универсальность и эффективность этих мембран могут изменить то, как отрасли управляют своими выбросами и способствуют более чистой среде.

More information: Kuang-Jung Hsu et al, Graphene membranes with pyridinic nitrogen at pore edges for high-performance CO2 capture, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0