Antropogeniczne emisje CO2 w ciągu ostatnich kilku dekad są powszechnie uznawane za główny czynnik napędzający efekt cieplarniany i w konsekwencji powiązane z nim zmiany klimatu1,2,3,4. Istnieją dwie ogólne metody wychwytywania CO2: wychwyt ze źródeł punktowych oraz bezpośrednie wychwytywanie z powietrza. Przez ponad 50 lat w przemyśle stosowano technologie mokrego płukania do wychwytywania CO2 ze źródeł punktowych w celu ograniczenia emisji CO25,6. Technologie te opierają się na aminach w fazie ciekłej, które reagują z CO2, tworząc karbamiany w warunkach suchych oraz wodorowęglany w obecności wody7,8, patrz Rysunek 1. Głównym powodem stosowania wychwytu i składowania węgla w dużych punktowych źródłach (przemysłowych) jest zapobieganie dalszemu uwalnianiu dużych ilości CO2, co ma neutralny wpływ na całkowite stężenie CO2 w atmosferze. Jednak systemy wychwytu węgla ze źródeł punktowych obarczone są kilkoma wadami, takimi jak korozja urządzeń, degradacja rozpuszczalnika i wysokie zapotrzebowanie energetyczne na regenerację9. Bezpośrednie wychwytywanie z powietrza (DAC) wykracza poza redukcję emisji i może ułatwić usuwanie CO2 z atmosfery. Usuwanie istniejącego CO2 jest niezbędne, aby ograniczyć postępujące zmiany klimatu. DAC jest rozwijającą się metodologią i musi sprostać trudnościom związanym z usuwaniem niskich stężeń CO2 w warunkach atmosferycznych (400 do 420 ppm), pracować w różnych warunkach środowiskowych oraz zapewnić dostęp do opłacalnych materiałów, które można wielokrotnie wykorzystywać1,2,3. Konieczne są znaczące prace w celu zidentyfikowania materiałów spełniających te wymagania, co przyspieszy wdrożenie DAC i poprawi jego opłacalność ekonomiczną. Co najważniejsze, należy wypracować konsensus społeczności w kwestii krytycznych parametrów pomiarowych, co jest niezbędne do opracowania materiałów referencyjnych.

Rycina 1: Schemat przewidywanego mechanizmu wychwytu CO2 przez ciekły adsorbent aminowy. Górna reakcja zachodzi w warunkach suchych, a dolna reakcja w obecności wilgoci. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
W celu wyeliminowania tych wad, intensywne badania i rozwój nowatorskich technologii materiałów porowatych doprowadziły do powstania szerokiej gamy obiecujących materiałów, które mogą być wykorzystywane zarówno jako materiały do wychwytu, jak i podłoża w procesach DAC. Przykłady takich materiałów obejmują krzemionki mezoporowate10,11,12,13, zeolity14,15, węgiel aktywny16,17 oraz sieci metalo-organiczne18. Wiele adsorbentów aminowych na nośnikach stałych wykazuje również większą tolerancję na wodę, co jest kluczowym aspektem w usuwaniu CO2 za pomocą metod DAC. W zastosowaniach DAC badacze muszą brać pod uwagę wilgotne i suche warunki środowiskowe, wysokie i niskie temperatury oraz ogólnie niskie stężenie CO2 w atmosferze. Wśród różnych materiałów podłoża powszechnie stosuje się krzemionkę ze względu na możliwość regulacji wielkości porów, zdolność do funkcjonalizacji powierzchni oraz dużą powierzchnię właściwą1,2,3. W niniejszej pracy opisano typowe procedury syntezy oraz główne cechy kompozytów amina-krzemionka otrzymywanych zarówno metodą impregnacji, jak i szczepienia (Rysunek 2). Inną powszechnie stosowaną metodologią jest synteza bezpośrednia, w której materiał jest tworzony in situ z obu komponentów: podłoża i aminy2.

Rysunek 2: Schematyczne przedstawienie impregnacji. Mieszanie PEI i podłoża krzemionkowego w metanolu poprzez dyfuzję (góra) oraz szczepione kompozyty amina-krzemionka poprzez wiązanie kowalencyjne (dół). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Impregnacja jest metodą, w której amina jest fizycznie adsorbowana na powierzchni, w tym przypadku na porowatym podłożu krzemionkowym, poprzez siły van der Waalsa oraz wiązania wodorowe między aminą a powierzchnią krzemionki19, patrz Rysunek 2. Rozpuszczalniki takie jak etanol i metanol są powszechnie stosowane w celu ułatwienia dyfuzji cząsteczek do porowatej struktury materiału podłoża. Roztwór można również podgrzać, aby zwiększyć rozpuszczalność poliamin o wysokiej masie molowej, co zwiększa homogeniczność penetracji aminy wewnątrz porów. W przypadku materiałów impregnowanych ilość aminy wprowadzonej na podłoże krzemionkowe jest określona przez początkową ilość aminy oraz powierzchnię właściwą podłoża. Jeśli ilość wprowadzonej aminy przekroczy dostępną powierzchnię podłoża krzemionkowego, gatunki amin będą aglomerować na jego powierzchni. Aglomeracja ta jest łatwo zauważalna, ponieważ impregnowany materiał będzie sprawiał wrażenie posiadania żelowej powłoki, często żółtej, zamiast oczekiwanego białego i proszkowego wyglądu1. Wśród wielu rodzajów stałych adsorbentów opartych na aminach, polietylenoimina (PEI) oraz tetraetylenopentamina (TEPA) są najszerzej stosowane ze względu na wysoką stabilność i wysoką zawartość azotu20. Dla układów impregnowanych fizycznie teoretyczną ilość załadowanej aminy można obliczyć na podstawie wcześniej zważonych ilości podłoża oraz gęstości aminy. Oczywistą zaletą impregnacji fizycznej jest prosta procedura syntezy oraz potencjał do uzyskania wysokiej zawartości aminy dzięki wysokiej porowatości podłoża krzemionkowego. Z drugiej strony, stabilność aminy w krzemionce jest ograniczona, ponieważ między aminą a nośnikiem krzemionkowym nie zachodzi wiązanie kowalencyjne. W związku z tym, po wielu cyklach pochłaniania CO2 i regeneracji za pomocą ciepła lub pary, amina może wymywać się z porów. Pomimo tych wad, zastosowanie takich materiałów w procesach DAC daje duże nadzieje w zakresie usuwania CO2 z atmosfery.
Inną opcją przygotowania materiałów do DAC jest szczepienie. Szczepienie to metoda, dzięki której aminy są immobilizowane na porowatym podłożu krzemionkowym poprzez reakcję chemiczną, jak pokazano na Rysunku 2. Reakcja ta przebiega poprzez reakcję aminosilanu z grupą funkcyjną silanolową na powierzchni, co prowadzi do powstania wiązania kowalencyjnego. W związku z tym liczba grup funkcyjnych na powierzchni podłoża krzemionkowego wpływa na gęstość zaszczepionych amin21,22. W porównaniu z adsorbentami impregnowanymi aminami, metody szczepienia chemicznego charakteryzują się niższą pojemnością adsorpcyjną CO2, głównie ze względu na niskie obciążenie aminami21. Z drugiej strony aminy zaszczepione chemicznie wykazują zwiększoną stabilność termiczną dzięki swojej strukturze związanej kowalencyjnie. Stabilność ta może być przydatna podczas regeneracji materiału, ponieważ adsorbenty (takie jak zaszczepiona krzemionka) są poddawane ogrzewaniu i ciśnieniu w celu usunięcia przechwyconego CO2, co pozwala na ponowne wykorzystanie materiału i redukcję kosztów. W typowej procedurze syntezy mezoporowate podłoże krzemionkowe rozprasza się w rozpuszczalniku (np. w bezwodnym toluenie), a następnie dodaje aminosilany. Otrzymaną próbkę przemywa się w celu usunięcia niezareagowanych aminosilanów. Doniesiono, że poprawę gęstości aminosilanów osiągnięto poprzez dodatek wody, szczególnie w przypadku SBA-15, w celu zwiększenia rozmiaru porów23. Procedura szczepienia opisana w niniejszym opracowaniu wykorzystuje techniki wrażliwe na wilgoć, dlatego nie będzie stosowano dodatkowej wody. Zastosowanie materiałów z zaszczepionymi aminosilanami w DAC jest obiecujące ze względu na ich oczekiwaną stabilność podczas procesów adsorpcji i desorpcji CO2. Jednak głównymi wadami tej metodologii są złożone reakcje i przygotowanie tych materiałów, co prowadzi do zwiększenia kosztów, oraz ich ogólnie niska pojemność adsorpcyjna CO2, co oznacza konieczność zastosowania większych ilości materiału.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wielu wcześniejszych badań wskazują, że struktura podłoża oraz modyfikacja związana z aminami mają istotny wpływ na wydajność adsorpcji, a w konkretnych badaniach wykorzystano takie techniki jak transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) oraz quasi-elastyczne rozpraszanie neutronów (QENS) w celu pełnej charakterystyki tych materiałów24,25. Innymi słowy, właściwości strukturalne (np. porowatość i powierzchnia właściwa) materiału podłoża determinują stopień załadowania amin, zatem zwiększenie tych parametrów może poprawić pojemność na CO224,25. Dalsze badania nad optymalizacją i projektowaniem materiałów podłoży oraz procesów ich przygotowania są kluczowe dla opracowania wysokowydajnych adsorbentów do bezpośredniego wychwytu z powietrza (DAC). Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wytycznych dotyczących impregnacji i syntezy amin szczepionych, w nadziei na zwiększenie przejrzystości technik syntetycznych. W literaturze szczegóły dotyczące ilości rozpuszczalnika, podłoża i amin nie zawsze są opisane, co utrudnia zrozumienie korelacji między eksperymentalnymi ilościami załadowania a ilościowymi pomiarami kompozytów amina-krzemionka. W niniejszym opracowaniu podano dokładne ilości załadowania oraz szczegółowy opis procedur eksperymentalnych, aby lepiej ułatwić tego typu porównania.