Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Синтетическая методология получения импрегнированных и привитых кремнеземистых композитов на основе аминов для улавливания углерода

Published: September 29, 2023 doi: 10.3791/65845
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1
1Material Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology (NIST), 2University of Maryland, 3Theiss Research

Summary

Эта работа направлена на содействие разработке стандартизированных методов пропитки или прививки аминизированных соединений на кремнеземные субстраты, которые часто широко описаны в литературе. Будут подробно рассмотрены конкретные количества растворителя, субстрата, аминов и значения других важных экспериментальных параметров.

Abstract

В последнее время были предприняты значительные усилия по сокращению или смягчению выбросовCO2 за счет использования материалов для улавливания углерода в точечных источниках или методах прямого улавливания из воздуха (DAC). Данная работа посвящена амино-функционализированным адсорбентамСО2 для ДАК. Эти материалы являются перспективными для удаленияCO2 , поскольку они имеют низкое энергопотребление регенерации и высокую адсорбционную способность. Включение аминных форм в пористую подложку сочетает в себе преимущества сродства аминных форм к CO2 с большими объемами пор и площадью поверхности пористой подложки. Существует три метода, обычно используемых для приготовления сорбентовCO2 на основе аминов, в зависимости от выбора формы амина, материальной основы и метода приготовления. Такими методами являются пропитка, прививка или химический синтез. Диоксид кремния является распространенным выбором материала подложки из-за его регулируемого размера пор, влагостойкости, температурной стабильности и способности адсорбировать CO2 в низких концентрациях для приложений DAC. Описаны типичные синтетические процедуры и основные свойства как импрегнированных, так и привитых аминокремнеземистых композитов.

Introduction

Антропогенные выбросыCO2 за последние несколько десятилетий широко рассматривались в качестве основного фактора, обуславливающего эффект парниковых газов и, следовательно, связанное с ним изменение климата 1,2,3,4. Существует два основных метода улавливанияСО2: точечный источник и прямой захват из воздуха. На протяжении более 50 лет технологии улавливания СО2 методом мокрой очистки используются для улавливания точечных источников в промышленности для снижения выбросовСО2 5,6. Эти технологии основаны на жидкофазных аминах, которые вступают в реакцию сСО2 с образованием карбаматов в сухих условиях и гидрокарбонатов в присутствии воды7,8, см. рисунок 1. Основная причина, по которой улавливание и хранение углерода используется в крупных точечных (промышленных) источниках, заключается в предотвращении дальнейшего выброса больших количеств СО2, что оказывает нейтральное влияние на общую концентрациюСО2 в атмосфере. Тем не менее, системы улавливания углерода с точечным источником страдают от ряда недостатков, таких как коррозия оборудования, деградация растворителя и высокие энергетические требования для регенерации9. Прямое улавливание из воздуха (DAC) выходит за рамки сокращения выбросов и может способствовать удалениюCO2 из атмосферы. Удаление этого существующегоCO2 необходимо для ограничения продолжающегося изменения климата. DAC является новой методологией и должна решать трудности удаления низких концентрацийCO2 в атмосферных условиях (от 400 до 420 ppm), работать в различных условиях окружающей среды и удовлетворять потребность в экономичных материалах, которые можно использовать многократно 1,2,3. Необходима значительная работа по выявлению материалов, отвечающих этим требованиям, что ускорит внедрение DAC и повысит его экономическую целесообразность. Самое главное, что необходимо достичь консенсуса в сообществе по критическим параметрам измерений, что имеет важное значение для разработки эталонных материалов.

Figure 1
Рисунок 1: Схема предполагаемого механизма улавливанияСО2 адсорбентом жидкого амина. Верхняя реакция происходит в сухих условиях, а нижняя – в присутствии влаги. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

В попытке устранить эти недостатки, значительные исследования и разработки новых технологий пористых материалов привели к созданию широкого спектра перспективных материалов, которые могут быть использованы либо в качестве улавливающих материалов, либо в качестве подложек для ЦАП. Примерами таких материалов являются мезопористые кремнеземные формы 10,11,12,13, цеолиты 14,15, активированный уголь 16,17 и металлоорганические каркасы 18. Многие адсорбенты на твердой основе аминов также демонстрируют более высокую устойчивость к воде, что является жизненно важным фактором при удаленииCO2 с помощью подходов DAC. Для применения DAC исследователи должны учитывать влажные/сухие условия окружающей среды, жаркие/холодные температуры и общую разбавленную концентрациюCO2 в атмосфере. Среди различных материалов подложки кремнезем обычно используется из-за его регулируемых размеров пор, способности к функционализации поверхности и большой площади поверхности 1,2,3. В данной работе описаны типичные синтетические процедуры и основные характеристики как импрегнированных, так и привитых аминокремнеземных композитов (рис. 2). Прямой синтез, при котором материал изготавливается на месте с использованием обоих компонентов, субстрата и амина, является еще одним широко используемым методом2.

Figure 2
Рисунок 2: Схематические изображения пропитки. Смешивание ПЭИ и кремнеземного субстрата в метаноле путем диффузии (вверху) и привитых амино-кремнеземистых композитах с помощью ковалентного связывания (внизу). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Пропитка – это метод, при котором амин физически адсорбируется на поверхности, в данном случае на пористой кремнеземной среде, под действием сил Ван-дер-Ваальса и водородной связи между амином и поверхностью кремнезема19, см. рисунок 2. Растворители, такие как этанол и метанол, обычно используются для содействия диффузии молекул в пористую структуру материала подложки. Раствор также можно нагревать для увеличения растворимости полиаминов с высокой молярной массой, тем самым увеличивая гомогенность проникновения аминов в поры. В случае импрегнированных материалов количество амина, вводимого в кремнеземную подложку, определяется исходным количеством амина и площадью поверхности подложки. Если количество введенного амина превышает доступную площадь поверхности кремнеземного субстрата, то аминные формы будут агломерироваться на его поверхности. Эта агломерация очевидна, так как пропитанный материал будет иметь гелеобразное покрытие, часто желтого цвета, а не ожидаемый белый и порошкообразныйвид. Среди многих типов твердых адсорбентов на основе аминов наибольшее распространение получили полиэтиленамин (ПЭИ) и тетраэтиленпентамин (ТЭПА) благодаря их высокой стабильности и высокому содержанию азота20. Для систем с физической пропиткой теоретическое количество загрузки амина может быть рассчитано исходя из предварительно взвешенных количеств подложки и плотности амина. Очевидное преимущество физической пропитки заключается в простой процедуре синтеза для ее приготовления, а также в возможности большого содержания аминов из-за высокой пористости кремнеземной подложки. И наоборот, стабильность амина в кремнеземе ограничена, потому что между амином и кремнеземом нет ковалентной связи. Таким образом, после нескольких циклов поглощения и регенерацииCO2 с помощью тепла или пара амин может вымываться из пор. Несмотря на эти недостатки, применение таких материалов для DAC имеет большие перспективы для удаленияСО2 из атмосферы.

Еще одним вариантом подготовки DAC материалов является черенкование. Прививка — это метод, с помощью которого амины иммобилизуются на пористую кремнеземную подложку посредством химической реакции, как показано на рисунке 2. Эта реакция протекает путем реакции аминосилана с силанольной функциональной группой поверхности, в результате чего образуется ковалентная связь. Таким образом, количество функциональных групп на поверхности кремнеземной подложки влияет на плотность привитого амина21,22. По сравнению с адсорбентами, пропитанными аминами, методы химической прививки имеют более низкую адсорбционную способностьСО2, главным образом из-за низкой аминной нагрузки21. И наоборот, химически привитые амины обладают повышенной термической стабильностью благодаря своей ковалентно связанной структуре. Эта стабильность может быть полезна при регенерации материала, поскольку адсорбенты (например, привитый диоксид кремния) нагреваются и находятся под давлением для удаления захваченногоCO2 для повторного использования с целью экономии материала и затрат. В типичной процедуре синтеза мезопористый кремнеземный субстрат диспергируется в растворителе (например, безводном толуоле), после чего к нему добавляются аминосиланы. Затем полученный образец промывают для удаления непрореагировавших аминосиланов. Сообщается, что улучшение плотности аминосилана было достигнуто за счет добавления воды, в частности, SBA-15, для увеличения размера пор23. Процедура черенкования, которая будет описана в этой статье, использует влагочувствительные методы. Поэтому дополнительная вода использоваться не будет. Внедрение привитых аминосилановых материалов для ДАК перспективно в связи с их ожидаемой стабильностью в процессах адсорбции и десорбцииСО2. Тем не менее, основные недостатки этой методологии включают сложные реакции/подготовку этих материалов, что приводит к увеличению стоимости, и их общую низкую адсорбционную способностьCO2, что означает, что требуются большие количества.

В целом, результаты многих предыдущих исследований указывают на то, что структура подложки и модификация, связанная с аминами, оказывают значительное влияние на адсорбционные характеристики, при этом в конкретных исследованиях использовались такие методы, как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и квазиупругое рассеяние нейтронов (QENS) для полной характеристики этих материалов24,25. Другими словами, структурные свойства (например, пористость и площадь поверхности) материала подложки определяют аминовую нагрузку, поэтому увеличение этих параметров может улучшить емкостьCO2 24,25. Непрерывные исследования в области оптимизации и проектирования материалов подложек и процессов подготовки имеют решающее значение для разработки высокоэффективных адсорбентов для DAC. Целью данной работы является предоставление рекомендаций по синтезу пропитки и привитых аминов в надежде на повышение прозрачности методов синтеза. В литературе не всегда описаны конкретные сведения о количестве растворителя, субстрата и аминов, что затрудняет понимание корреляции между экспериментальными объемами загрузки и количественными измерениями аминокремнеземистых композитов. Точные объемы загрузки и подробное описание экспериментальных процедур будут приведены в настоящем документе, чтобы облегчить проведение такого рода сравнений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Подробную информацию об оборудовании, контрольно-измерительных приборах и химикатах, используемых в этом разделе, можно найти в таблице материалов.

1. Пропитка диоксида кремния полиэтиленимином 800 г/моль молярной массы (PEI 800)

  1. Подготовка реакции
    1. Используйте безводный метанол в качестве растворителя в этой реакции. Имеет низкую температуру кипения; Таким образом, его летучесть облегчает его последующее удаление при более низких температурах.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Безводный растворитель важен, потому что вода может предотвратить попадание PEI 800 в поры кремнеземной основы. Другим часто используемым растворителем является этанол, который имеет более высокую температуру кипения и требует более длительного времени сушки и более высоких температур сушки.
    2. Рассчитайте массовую долю (%) амина, используя уравнение 1, где m амина = массаамина , m кремнезема = масса используемогокремнезема .
      Уравнение 1: Equation 1
    3. Массовая доля амина (w-амина) в кремнеземе МСМ-41 составит 59,9 % (750 мг амина и 500 мг кремнезема). На каждый 1 г амина используют 10 мл безводного метанола. Это делается для того, чтобы вся смесь представляла собой разбавленную кашицу. Эти рассчитанные количества будут классифицироваться как экспериментальные (поamine_exp) и далее классифицируются для каждой синтетической методики (например, w amine_exp_imp (импрегнированная) и wamine_exp_graft (привитая)).
    4. Чтобы убедиться, что вся стеклянная посуда лишена влаги, перед использованием поместите ее в духовку при температуре 140 °C не менее чем на 1 час.
  2. Приготовление кремнеземной основы
    ПРИМЕЧАНИЕ: Кремнезем MCM-41 является твердой подложкой, используемой в этом процессе. Поскольку MCM-41 является адсорбентом кремнезема, ожидается, что он будет адсорбировать воду из атмосферы или во время производства.
    1. Высушите диоксид кремния MCM-41, чтобы убедиться, что вода не адсорбировалась в его порах. Поместите нужное количество кремнезема в стеклянную чашку Петри, накройте ее проколотой алюминиевой фольгой, а затем поместите в вакуумную духовку.
    2. Сначала включите вакуум (обычно менее 3 кПа, который меняется в зависимости от каждой отдельной вакуумной системы), затем установите температуру духовки около 110 °C, чтобы обеспечить удаление воды. Выполняйте этот шаг не менее 2 часов, прежде чем приступить к синтезу.
  3. Методика пропитки
    1. Используйте чистый сухой лабораторный шпатель и перелейте желаемое количество (750 мг) полиэтиленимина (PEI) в реакционный сосуд (в данном случае в сухой флакон объемом 35 мл). Укупорите реакционный сосуд при транспортировке.
    2. Переместите реакционный сосуд в вытяжной шкаф для химикатов, зажмите или закрепите его внутри колпака и поместите на пластину для перемешивания. Снимите крышку реакционного сосуда.
    3. Поместите чистую сухую мешалку в реакционный сосуд.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Использование мешалки обеспечивает равномерное перемешивание, позволяет перемешивать раствор в течение более длительного времени, способствует лучшему диспергированию и может обеспечить безопасный нагрев реакции без необходимости ручного перемешивания.
    4. С помощью пипетки добавьте 7,5 мл безводного метанола (на каждый 1 г амина используйте 10 мл метанола) из градуированного баллона. Включите пластину для перемешивания. Дайте раствору перемешаться в течение 15 минут, чтобы убедиться, что PEI полностью растворен и однородно диспергирован в растворителе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После смешивания раствор будет выглядеть прозрачным, что означает полное растворение полимера.
    5. С помощью чистого сухого лабораторного шпателя переложите желаемое количество (500 мг) предварительно высушенного диоксида кремния (в данном случае MCM-41) на бумагу для взвешивания. Перелейте диоксид кремния в реакционный сосуд внутри вытяжного шкафа.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это экспериментальное количество амина будет соответствовать фактическому количеству амина, измеренному с помощью термогравиметрического анализа (ТГА).
      ВНИМАНИЕ: Вдыхание кварцевой пыли может повредить легочную ткань. Рекомендуется носить респиратор N95 при работе с кремнеземными подложками (обратитесь к местным правилам безопасности для соответствующего выбора для конкретной лаборатории) и работать в химическом вытяжном колпаке. Эти кремнеземные материалы часто проявляют свойства «статического прилипания» и легко диспергируются в вытяжном шкафу. Выполняйте этот шаг быстро, чтобы избежать адсорбции влаги на диоксиде кремния из воздуха.
    6. Добавьте дополнительный метанол для промывки диоксида кремния в сосуде, чтобы обеспечить полное воздействие PEI в растворе, если это необходимо. Смесь будет выглядеть в виде кашицы; см. рисунок 3.
    7. Поместите сосуд в ванну с силиконовым маслом, нагревательный блок или нагревательную мантию при температуре от 40 °C до 50 °C, чтобы обеспечить полную растворимость PEI, однородное перемешивание и стимулировать загрузку аминов в пористый кремнезем.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Повышенные температуры не всегда используются во время процедур пропитки, и литература показала, что другие температуры смешиваются при комнатной температуре (RT)1,2,3. В этом протоколе для обеспечения однородного смешивания используется нагрев.
    8. Убедитесь, что мешалка равномерно перемешивает раствор. Дайте раствору помешиваться под огнем около 1 ч.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от размера реакции и индивидуальных предпочтений выбор реакционного сосуда может варьироваться. Таким образом, способ нагрева реакции (масляная ванна, нагревательный блок или нагревательная мантия) может варьироваться в зависимости от выбора реакционного сосуда.
    9. Снимите реакционный сосуд с источника тепла и дайте ему остыть до RT, продолжая помешивать. Когда он полностью остынет, прекратите перемешивание и снимите мешалку.
    10. Поместите сосуд с образцом под вакуум на линию Schlenk (обычно <3 кПа, снижайте давление медленно, чтобы избежать ударов).
    11. Оставьте реакционный сосуд на линии Шленка до тех пор, пока весь растворитель не будет заметно удален. Затем переложите образец в другой контейнер для хранения, например, стеклянную чашку Петри.
    12. Затем поместите образец в вакуумную печь, включите вакуум (обычно <1,3 кПа), затем установите духовку примерно на 70 °C. Дайте образцу высохнуть под вакуумом в течение не менее 18 часов, чтобы убедиться, что удалено достаточное количество метанола.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывайте уровень растворителя перед помещением выбранного контейнера в вакуумную печь из-за риска того, что образец и раствор будут беспорядочно покидать резервуар из-за вакуума. Как правило, перед помещением в вакуумную печь в образце/контейнере остается не более 1 мл растворителя.
    13. После высыхания материалы выглядят белыми и порошкообразными. Храните его в защищенном от влаги и воздухе помещении до тех пор, пока он не понадобится для дальнейшего использования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап может быть выполнен в вакуумном эксикаторе или перчаточном ящике, подготовленном в среде, свободной от воздуха и влаги. На рисунке 4 показан ожидаемый внешний вид конечного продукта.

Figure 3
Рисунок 3: Репрезентативные изображения реакций. (А) Фотография ПЭИ-кремнеземистой суспензии (в метаноле) при пропитке ПЭИ перед передачей в нагревательный блок и (Б) аппарат для прививки ДАС после нагрева в течение 6 часов завершен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Репрезентативный внешний вид конечных продуктов после сушки. (A) Пропитка PEI при wamine_exp_imp = 59,9 %. (Б) привитый DAS при wamine_exp_das = 90,0 %. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

2. Приготовление влажно-привитого диоксида кремния с N'-(3-триметилсилилпропил)диэтиленамином (DAS)

  1. Приготовление раствора
    1. Используйте в этой реакции безводный толуол. Он имеет высокую температуру кипения (110 °C), что позволяет смешивать его при высокой температуре. Аминосилан (N'-(3-триметилсилилпропил)диэтиленамин (DAS) хорошо растворяется в этой среде.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выполнение этой реакции в безводных условиях важно, потому что вода может взаимодействовать с аминосиланами, изменяя характер ее связи с поверхностью кремнезема. Используемый безводный толуол поставляется с крышкой с перегородкой. Поэтому для переноса растворителя в реакционный сосуд будет использоваться газонепроницаемый шприц. На каждый 1 г DAS используют 5 мл толуола. Таким образом, для 5 мл DAS (1,028 г/мл) используется 25 мл растворителя.
  2. Приготовление кремнеземной основы
    1. Высушите диоксид кремния, используя процедуру, описанную выше в шаге 1.2.
  3. Приготовление силоксана
    1. Аминосилан чувствителен к влаге, так как присутствие воды может вызвать полимеризацию. Таким образом, обрабатывайте реакцию как реакцию без влаги. Храните DAS во флаконе с крышкой от перегородки и используйте газонепроницаемый шприц для переноса.
      ВНИМАНИЕ: Существует множество рисков для здоровья и опасностей, связанных с аминосиланами. Перед началом эксперимента ознакомьтесь с паспортом безопасности и соблюдайте все рекомендуемые меры предосторожности.
  4. Методология привитого диоксида кремния
    1. Важно отметить, что, в отличие от методики пропитки, аминосиланы должны иметь низкое содержание азота для прививки на кремнеземном субстрате. Поэтому в этой реакции экспериментально загружают wamine_exp_graft = 90,0 % DAS, чтобы увеличить вероятность того, что аминосилан найдет силанольные группы на кремнеземной основе и успешно скрепится ковалентной связью.
    2. Перед использованием высушите всю стеклянную посуду в духовке не менее 2 часов, чтобы обеспечить отсутствие влаги на поверхности.
    3. Наполните колбу Schlenk с круглым дном, оснащенную магнитной мешалкой, желаемым количеством (500 мг) кремнеземной основы (MCM-41).
    4. Вставьте резиновую перегородку в реакционный сосуд и трижды проведите реакционный сосуд по линии Шленка, чтобы удалить воздух и влагу. Для этого откройте запорный кран реакционного сосуда для вакуумирования примерно на 30 с, закрыв запорный кран, переключившись на инертный газ (N 2 или Ar2) примерно на 30 с, а затем снова открыв запорный кран. После того, как реакционный сосуд был циклически замкнут, поддерживайте среду инертного газа для следующих процедурных этапов.
    5. Введите линию инертного газа в бутылку с крышкой с перегородкой (sure-seal), затем используйте газонепроницаемый шприц и продуйте шприц инертным газом, прежде чем удалить желаемое количество безводного толуола (в данном случае 25 мл).
      ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 5 приведено изображение герметичного контейнера с входным отверстием для инертного газа и газонепроницаемым шприцем. Изгиб (синяя стрелка) помещается в трубку перед переносом, чтобы предотвратить подтекание. Этот метод используется всякий раз, когда необходимо газонепроницаемое спринцевание жидкости. Количество растворителя диктуется количеством добавляемого аминосилана. На каждый 1 мл аминосилана используйте 5 мл безводного толуола для обеспечения растворимости. Важно наполнить шприц 25 мл толуола, а затем поднять иглу над уровнем раствора во флаконе. Затем наберите немного инертного газа из свободного пространства над толуолом, прежде чем вынуть шприц из контейнера с толуолом.
    6. Перед началом этого шага убедитесь, что магнитная мешалка внутри реакционного сосуда плавно перемешивает. Перенесите безводный толуол, содержащийся в газонепроницаемом шприце, проколов перегородку на реакционном сосуде и выпустив толуол в сосуд.
    7. Извлеките иглу с инертным газом.
    8. Повторите те же шаги (с 2.4.6 по 2.4.8) с аминосиланом (4,8 мл DAS).
    9. Используйте адаптер для присоединения трубопровода от линии Schlenk к водяному конденсатору с помощью вакуумной смазки. Обмотайте дно конденсаторного аппарата лентой из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (на этом этапе гарантируется отсутствие загрязнения смазкой). Затем присоедините конденсаторный аппарат к круглодонной колбе Schlenk, чтобы подготовить стеклянную посуду; см. рисунок 3.
    10. Подсоедините «холодные» водопроводы к водяному конденсатору и включите его.
      ПРИМЕЧАНИЕ: «Холодная» вода (ниже 23 °C) будет попадать в нижнюю часть конденсатора и выходить сверху в раковину. Трубки будут закреплены (проводами, стяжками или хомутами для стальных шлангов), чтобы избежать утечки воды в местах соединения.
    11. Опустите реакционный сосуд в ванну с силиконовым маслом или нагревательный блок или поместите его в нагревательную мантию при температуре от 80 °C до 100 °C. Эта температура выбирается для облегчения прививки аминосилана (DAS), однородного смешивания и стимулирования загрузки аминов.
    12. Закройте запорный кран для инертного газа на круглой донной колбе Schlenk и оставьте запорный кран на конденсаторе открытым; см. рисунок 3B.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг выполняется для предотвращения подъема толуола в трубку, расположенную близко к аппарату (боковой рычаг колбы Шленка), сохраняя реакцию в инертной атмосфере благодаря входному отверстию в верхней части конденсатора; Эта настройка показана на рисунке 3 .
    13. Убедитесь, что мешалка равномерно перемешивает раствор. Помешивайте при нагревании в течение 6 ч.
    14. Дайте реакционному сосуду остыть до RT. Используйте вакуумную фильтрацию для улавливания твердого привитого аминокремнезема на фильтровальной бумаге и промойте обильным количеством безводного толуола (3 раза по 10 мл).
    15. Для вакуумного фильтра оборудуйте колбу фильтра Эрленмейера с рычагом для всасывания через шланг. Поместите резиновую пробку в отверстие, поместите воронку Бюхнера поверх резиновой пробки и, наконец, поместите фильтровальную бумагу в воронку Бюхнера. Смочите фильтровальную бумагу безводным толуолом.
    16. Включите пылесос и быстро выдавите раствор на фильтровальную бумагу. Он помогает промыть реакционный сосуд безводным толуолом перед тем, как вылить его на фильтровальную бумагу во время промывки.
    17. Конечный материал выглядит белым на фильтровальной бумаге. Снимите привитый силановый материал с фильтровальной бумаги с помощью чистого сухого лабораторного шпателя и поместите его во флакон.
    18. Накройте флакон проколотой алюминиевой фольгой и поместите в вакуумную духовку. Включите пылесос. Установите духовку примерно на 100 °C и дайте высохнуть примерно 18 часов, чтобы удалить излишки толуола.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Материалы выглядят белыми и порошкообразными после высыхания и хранятся в среде, свободной от влаги и воздуха. Это может быть вакуумный эксикатор или перчаточный ящик, подготовленный в среде, свободной от воздуха и влаги. Внешний вид конечного продукта показан на рисунке 4 .
    19. Эту процедуру повторяют еще два раза (всего 3 раза, шаги 2.4.1 - 2.4.16).

Figure 5
Рисунок 5: Фотографии герметичного контейнера. (A) Контейнер с иглой, подключенной к инертному газу (N 2 или Ar2) и (B) с подключенным инертным газом и прикрепленным газонепроницаемым шприцем с «изогнутой» иглой (синяя стрелка), которая будет использоваться для перекачки без утечки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

3. Анализ кремнеземно-композиционных материалов методом ТГА

ПРИМЕЧАНИЕ: Стандартная погрешность, связанная с этим измерением, составляет приблизительно ± 0,01 % по массе и ± 1 °C по температуре.

  1. Используя прикладное программное обеспечение прибора для ТГА, возьмите пустую чашку.
  2. Извлеките тарированный поддон из зоны загрузки образца и добавьте образец в поддон. Поместите образец в центр чашки и используйте не менее 2 мг, чтобы обеспечить адекватное разрешение потери массы. Поместите поддон с образцом обратно в зону загрузки.
  3. С помощью программного обеспечения прибора можно настроить процедурный цикл, который сначала уравновешивается при температуре около 50 °C в течение 5 мин в среде 100 % N2 с расходом газа 60 мл/мин. Затем установите линейное изменение от 2 °C/мин до 5 °C/мин до 1000 °C. Отметьте окончание цикла. Эти измерения обозначаются как wamine_TGA так как они оценивают реальное содержание аминов в материале с помощью ТГА. Далее он классифицируется для каждой синтетической методики (например, w amine_TGA_imp (импрегнированный метод) и wamine_TGA_graft (привитый метод)).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Конкретные рекомендации по расходу могут отличаться для отдельных ТГА. Ознакомьтесь со спецификациями производителя, прежде чем выбирать подходящий расход для отдельного эксперимента.
  4. Повторите шаги 3.1–3.3 для всех дополнительных экспериментальных запусков.
  5. Примените шаг 3.1 для установки эксперимента по адсорбцииСО2 .
  6. С помощью программного обеспечения прибора можно настроить процедурный цикл, который сначала уравновешивается при 100 °C в течение 5 минут, а затем увеличивается со скоростью 20 °C/мин до 40 °C. Затем применяют изотермическую выдержку при 40 °C в течение 10 мин перед введением смешанного газа с 5 % CO 2 в N2, расход 60 мл/мин.
  7. Выдерживают образец при температуре 40 °C в условиях газовой смеси в течение 100 мин. Эта процедура выполняется для измерения адсорбцииСО2 при наборе веса. Эти измерения обозначаются как w CO2, поскольку они оценивают адсорбциюCO2 в материале. Он дополнительно классифицируется для каждой синтетической методики (например, w CO2_imp (импрегнированный метод) и wCO2_graft (привитый метод)).
  8. Для циклических исследований с помощью программного обеспечения прибора можно настроить процедурный прогон, который сначала открывается до газа 100 % N2 , изотермической выдержки в течение 5 мин, а затем наращивания при 20 °C/мин до 105 °C и изотермы в течение 5 мин.
  9. Затем снижают скорость до 10 °C/мин до 40 °C и удерживают изотерму в течение 1 мин до высвобождения смеси 5 % CO 2 в N2 и удерживают изотерму в течение 35 мин. Повторите процедурные действия 10 раз.
  10. В программном обеспечении добавьте этот прогон столько раз, сколько нужно, чтобы добавить дополнительные шаги цикла. Следите за тем, чтобы не изменить номер сковороды и не удалить шаг стабилизации веса для добавленных прогонов после первого запуска. Это позволяет пользователю помещать несколько 10-тактовых прогонов вместе в метод.

4. Анализ кремнеземных композиционных материалов методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИК-Фурье) с использованием аксессуара с ослабленным полным отражением (ATR)

ПРИМЕЧАНИЕ: Стандартные неопределенности, связанные с этим прибором, составляют ± 1 % по пиковой интенсивности и ± 4 см−1 по волновому числу, поэтому неопределенность интенсивности на сообщаемой кривой составляет ± 1,4 % при использовании линейного распространения неопределенностей.

  1. Очистите окно (алмазное) на принадлежностях FTIR-ATR салфеткой с низким ворсом и метанолом.
  2. Соберите фоновый спектр, используя базовое окно измерений программного обеспечения.
  3. С помощью чистого и сухого шпателя поместите образец на окно ИК-Фурье-ТОПО. Используйте компрессионный зонд ATR, чтобы протолкнуть образец в контакт с окном.
  4. Соберите спектр выборки, нажав кнопку Collect Sample в окне базового измерения, и загрузите соответствующий фон из файла, полученного на шаге 4.2.
  5. Повторите шаги 4.1–4.4 для всех образцов.

5. Анализ кремнеземно-композиционных материалов до и после пропитки и прививки аминов методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

  1. Закрепите образцы в виде порошка на алюминиевых заглушках, аккуратно распределив их по углеродной проводящей двусторонней ленте. Стереомикроскоп помогает в этой процедуре, увеличивая видимость разброса образца.
  2. Напылите на каждый образец 5-нанометровое золото-палладиевое (Au-Pd) проводящее покрытие для получения оптимальных условий визуализации.
  3. Изображение морфологии поверхности кремнеземистого материала подложки до и после пропитки или прививки на двухлучевом полевом эмиссионном РЭМ в условиях высокого вакуума (т.е. менее 0,4 мПа, 3 x 10−6 торр).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранные параметры энергии пучка (1 кэВ) и тока зонда (6,3 пА и 25 пА) были оптимизированы для получения четких изображений с минимальным зарядом, артефактами и дрейфом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ТГА обычно используется для количественной оценки количества амина, загруженного или привитого к поверхности кремнезема для этих материалов. Полученные кривые ТГА показывают потерю остаточного растворителя и воды между 60 °C и 100 °C, которая показана на кривой веса производного (массовый %/°C) как первый пик, и потерю амина, которая показана на кривой веса производного (массовые %/°C) как второй пик. Для кремнезема, пропитанного PEI, эта потеря амина, как ожидается, составит от 200 °C до 300 °C, что является вторым пиком на кривой веса производного, а для привитого диоксида кремния DAS потеря амина, как ожидается, составит от 350 °C до 550 °C (рис. 6). Общая потеря массы указывает на количество амина, загруженного или привитого на кремнеземный субстрат, и является важным параметром характеристики для оценки качества синтеза. Для образцов, импрегнированных PEI, w-амин по ТГА (w amine_TGA_imp) = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3) в отличие от экспериментального (wamine_exp_graft)= 59,9 % (рис. 6B). Для образцов, привитых DAS, w amine_TGA_graft = 22,3 % ± 0,1 % (n = 3) в отличие от wamine_exp_graft = 90,0 % при трехкратном повторении синтеза (рис. 6A).

Figure 6
Рисунок 6: ТГА. (A) ПЭИ, пропитанный при w amine_exp_imp = 59,9 % наблюдаемого, w amine_TGA_imp = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3) и (B) Привитые материалы при w amine_exp = 90,0 % наблюдаемых, wamine_TGA = 22,3 % ± 0,2 % (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 7 общая адсорбция СО2 измерялась с помощью ТГА при 5 %СО2 в N2, скорости потока 60 мл/мин и выдерживалась при 40 °C в течение 60 мин. На рисунке 7А показаны кривые адсорбции CO 2 для образцов, пропитанных PEI, со средней адсорбцией CO 2% по массе (wCO2_imp) 6,16 % ± 0,2 % (n = 3). На рисунке 7B показаны кривые адсорбции CO 2 для DAS-привитых образцов с wCO2_graft =2,03 % ± 0,04 % (n = 3). В пределах этих кривых ТГА базовая линия корректируется так, чтобы начинаться со 100 %.

Figure 7
Рисунок 7: ТГА-кривые адсорбцииСО2. (А) Импрегнированный образец PEI MCM-41 wCO2_imp= 6,16 % ± 0,3 % (n = 3). (B) Привитый образец DAS MCM-41 wCO2_graft = 2,03 % ± 0,04 % (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Спектроскопия FTIR-ATR — это разновидность колебательной спектроскопии, обычно используемая для понимания химической структуры материала. На рисунке 8 показаны спектры FTIR-ATR чистых материалов PEI, DAS и MCM-41 в сравнении с материалами, пропитанными PEI или привитыми DAS-материалами MCM-41. Отчетливые пики в диапазоне от 2500 см-1 до 3600 см-1 объясняются сигналами N-H на основе аминов, ожидаемыми от аминных материалов. При сравнении спектров импрегнированного и привитого материалов наблюдается снижение пиковой интенсивности, что объясняется меньшим количеством амина в привитом материале. В спектрах можно увидеть сильные пики, соответствующие Si-O-Si в диапазоне от 400 см-1 до 1200 см-1. Представленные спектры были скорректированы на ослабленный суммарный коэффициент отражения, а затем автоматически скорректированы с помощью программного обеспечения прибора.

Figure 8
Рисунок 8: ИК-Фурье спектры. Репрезентативные ИК-Фурье спектры для чистых образцов PEI, MCM-41, DAS, DAS и образцов материала, пропитанного PEI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 9 микрофотографии СЭМ неизмененного МКМ-41 сравниваются с МСМ-41, пропитанным ПЭИ при w amine_TGA_imp = 59,2 % и МКМ-41, привитым DAS при wamine_TGA_graft = 22,3 % для морфологических и поверхностных различий.

Figure 9
Рисунок 9: Снимки СЭМ . (A) МСМ-41, пропитанный PEI, (B) аккуратный MCM-41 и (C) МСМ-41, привитый DAS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунках 10 и 11 аккуратные исходные материалы, такие как MCM-41, DAS и PEI 800, измеряются с использованием TGA для определения исходного уровня потери веса и адсорбцииCO2. На рисунке 10А аккуратные кривые MCM-41 TGA можно увидеть как медленную, постепенную потерю веса, но без четких пиков веса производного (% по весу/°C). На рисунке 10B видны аккуратные кривые PEI 800 TGA с общей потерей веса в диапазоне от 200 °C до 370 °C.

Figure 10
Рисунок 10: Кривые ТГА. (A) Чистый MCM-41 wMCM41 = 8,58 % ± 0,5 % (n =3 ). (B) Молекулярная масса PEI 800 wPEI = 98,9 % ± 0,9 % (n = 3). См.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 11
Рисунок 11: Кривые ТГА. (А) АдсорбцияСО2 чистого MCM-41 wCO2 = 0,223 % ± 0,2 % (n = 3). (B) АдсорбцияСО2 чистого PEI 800 wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). (C) АдсорбцияСО2 чистого DAS wCO2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 11А показана кривая адсорбции СО2 для чистого МКМ-41 с минимальной адсорбцией СО2 приСО2 = 0,222 % ± 0,2 % (n = 3). На рисунке 11B показана кривая адсорбции CO2 PEI 800 при минимальной адсорбцииCO2 wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). На рисунке 11С показана кривая адсорбции СО2 для аккуратного ДАС с минимальной адсорбциейСО2 при СО2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Обратите внимание, что адсорбция для чистых материалов низкая, потому что адсорбцияCO2 происходит только на поверхности, которая подвергается воздействию газовой среды. Примечательно, что DAS чувствителен к воздуху и влаге и подвергается воздействию воздуха в процессе загрузки в TGA, что может повлиять на его способность адсорбировать CO2.

На рисунке 12 показаны кривые цикла адсорбции и десорбции CO2 для импрегнированного MCM-41 (рисунок 12A) и привитого MCM-41 (рисунок 12B). В рамках этого протокола образец сначала активируют путем нагревания до 105 °C при 100 % N 2 в течение 5 мин, затем снижают до 40 °C и выдерживают в течение 1 мин перед введением смеси 5 % CO 2 в N2 в течение 35 мин. Затем эту процедуру повторяют (Рисунок 12C). На рисунке показано десять повторяющихся циклов с уменьшением адсорбционной способности материала с течением времени. Доступ к данным можно получить через Управление институциональными активами данных (MIDAS) на https://doi.org/10.18434/mds2-3017.

Figure 12
Рисунок 12: Исследование циклической адсорбции и десорбции ТГА. (A) МСМ-41, пропитанный PEI, MCM-41, (B) привитый DAS MCM-41 и (C) температурный профиль процедурных прогонов для (A) и (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методы, описанные в настоящем документе, предназначены для обеспечения протокола приготовления импрегнированных и привитых аминокремнеземных композитных адсорбентов. Процедуры, которые мы задокументировали, основаны на обзоре методов, описанных в литературе, и методов, усовершенствованных в нашей лаборатории. 1,2,3. Подготовка этих материалов полезна в области исследований по удалению углекислого газа для разработки или сравнения других материалов, которые могут быть использованы для снижения выбросовCO2 либо в атмосфере (прямое улавливание из воздуха), либо в промышленных процессах (улавливание точечных источников). Среди адсорбентов твердых аминов обычно используется мезопористый кремнезем. Кремнеземные субстраты, как правило, имеют простой синтез или могут быть приобретены в промышленных масштабах, обладая структурными свойствами, которые делают их хорошим выбором для пропитки или прививки твердых адсорбентов на основе аминов21. В рамках этой процедуры MCM-41 используется в качестве кремнеземной подложки из-за большой площади поверхности и узкого распределения пор по размерам между 35 Å и 38 Å. Тем не менее, другим широко изучаемым кремнеземным носителем является SBA-15, который также используется в исследованиях по улавливанию углерода из-за его большой площади поверхности, объема пор и однородного размера мезопора24. Систематические исследования с использованием MCM-41 и PEI путем пропитки показали увеличение адсорбции CO2 с увеличением количества загрузки PEI26. Предыдущие результаты, подробно описывающие потерю веса для импрегнированных композитов из диоксида кремния MCM-41, были представлены Сюй и коллегами26, а для привитых композитов из кремнезема - Соузой и коллегами27, которые экспериментировали с эффектом H 2 S и H 2O на улавливание CO2. Сюй и его коллеги26 обнаружили, что их MCM-41 при 50 % (масс.) нагрузке PEI имеет адсорбционную способность 112 мгCO2/g-адсорбента. В рукописи также представлена ТГА для похудения этих импрегнированных материалов. Для сравнения, МКМ-41 59,9 % (мас.%) пропитанный ПЭИ в этой рукописи имеет емкость 61,6 мгСО2/г-адсорбента. Несмотря на то, что это кажется намного меньше, чем указанное количество, учтите, что параметры измерения различны - Сюй и его коллеги нагрели образец до 75 °C, имели 99,8 % смеси CO 2 в N2 и скорость потока 100 мл/мин в течение 150 минут. Повышенная температура и почти 100% CO2 экспериментальные условия, вероятно, способствовали адсорбцииCO2. Это подчеркивает трудности при сравнении исследований, в которых экспериментальные процедуры различаются.

Даже для, казалось бы, простого метода, такого как пропитка, выбор растворителя, концентрации кремнезема/растворителя, концентрации амина/растворителя, метода перемешивания/смешивания, температуры и времени смешивания сильно различаются в литературе. Данная статья посвящена описанию одного из методов получения этих материалов, но каждый отдельный исследователь может сделать выбор, соответствующий его собственным исследовательским целям. Кроме того, эти методики могут быть адаптированы к другим адсорбирующим субстратам для улавливания углерода. Мы намерены помочь облегчить исследования материалов для удаления углекислого газа, обеспечив отправную точку для такой работы с помощью этого метода.

Многие исследования показали, что расположение аминов в структуре кремнеземного композита может меняться для импрегнированных и трансплантированных аминов. Импрегнированные материалы, загруженные PEI, имеют более высокую степень функционализации (т.е. содержание аминов) на поверхности, что может препятствовать диффузии CO 2 в поры 1,2,3,24. Закупорка пор связана с более низкими температурными условиями реакции, более высокой аминной нагрузкой и стерическими препятствиями, что, следовательно, снижает доступность аминовых участков и адсорбционную способность28.

Было показано, что привитые материалы содержат амины, расположенные внутри поровых каналов, и, таким образом, диффузияCO2 может легко происходить через всю структуру, максимизируя эффективность захвата24,25. Сравнение привитых аминокремнеземных композитов друг с другом представляет сложность из-за различий в содержании аминов как в привитом материале, так и в аминосилане.

Тем не менее, сопоставимость между исследованиями в рамках «одного и того же материала(ов)» по-прежнему имеет существенные ограничения, такие как различия в (1) синтезе, (2) материалах и (3) измерениях. Во-первых, несмотря на то, что во многих исследованиях и обзорных статьях описывается получение импрегнированных или привитых кремнеземных материалов, существуют различные протоколы синтеза без четких указаний относительно наиболее важных этапов синтеза. Во-вторых, существуют различия в характеристиках между кремнеземными субстратами, полученными от внешних поставщиков, и теми, которые получены синтетическими путями, используемыми в этих протоколах. Из-за различий в молярных массах PEI, содержании аминов в аминосилинанах, а также в процентном соотношении привитых или загруженных веществ возникает сложность сравнения измеренной адсорбционной способности CO2 между этими различными материалами. В-третьих, адсорбционная способностьCO2 может быть измерена с помощью различных типов коммерческих или специально разработанных измерительных инструментов, каждый из которых имеет различную неопределенность измерения. Общее процентное содержаниеCO2 в газовом источнике, расход газа, выбор температуры активации, адсорбции, десорбции и влажность в газовом источнике могут варьироваться в зависимости от отдельных исследований и отдельных приборов. Все эти экспериментальные параметры важно учитывать при сравнении измеренных адсорбционных мощностей для отдельных материалов.

Несмотря на то, что эта процедура сосредоточена на кремнеземных субстратах, общая цель устранения выбросов углерода и снижения концентрацииCO2 в атмосфере представляет собой сложную, многогранную проблему, которая потребует существенных инноваций, консенсуса по параметрам измерений для отчетности и четкого указания на критические процедурные шаги. Таким образом, продолжение исследований по изучению новых адсорбентов на твердой основе с функцией адсорбентаCO2 становится все более важным для достижения заявленных климатических целей. В этой статье подчеркивается необходимость консенсуса сообщества по относительным параметрам и демонстрируется потребность в эталонных материалах.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Все авторы не сообщают о конфликте конкурирующих интересов. Полное описание процедур, используемых в данной статье, требует идентификации определенных коммерческих продуктов и их поставщиков. Включение такой информации ни в коем случае не должно толковаться как указание на то, что такие продукты или поставщики одобрены NIST или рекомендованы NIST, или что они обязательно являются лучшими материалами, инструментами, программным обеспечением или поставщиками для описанных целей.

Acknowledgments

Шарлотта М. Вентц (Charlotte M. Wentz) выражает благодарность за финансирование в рамках NIST Award # 70NANB8H165. Зоис Цинас выражает благодарность за финансирование в рамках NIST Award # 70NANB22H140.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Anhydrous methanol Sigma-Aldrich 322415 Does not come with sure-seal
Anhydrous toluene Sigma-Aldrich 244511 Comes with sure-seal
Ceramic Stirring Hot Plate NA NA The size, watage, and thermal capabilities of the stirr plate will differ depending on individual lab facilities.
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)  Nicolet i550 series spectrometer NA Run on OMNIC standard software
Gastight syringe  NA NA As long as the gas tight syringe has a PTFE plunger and luer tip, is suited for air sensitive technique and can be used in this protocol. 
Glass vial NA NA  As long as the vial is made if borosilicate glass and has a screw based cap the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol.
MCM-41 silica ACS Material  MSM41A01  Cas no. 7631-86-9
Metal needle NA NA Syringe needles need to be stainless steel. It is recommended to determine length and outerdiameter of needle by what will be transferred using the gas tight syringe. For large quantities of liquid a larger outer diameter will improve transfer rates. 
N’-(3-trimethylsilyl propyl) diethyleneamine (DAS) Sigma-Aldrich 104884 Comes with sure-seal 
Polyethyleneimine (PEI) Sigma-Aldrich 408719 Does not come with sure-seal
Schlenk round bottom flask ChemGlass AirFree NA As long as the flask is suited for high pressure and temperture but the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol
Thermogravemetric Anlysis (TGA)  TA Advantage NA 550 series from Waters and TA Instruments

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhu, X., et al. Recent advances in direct air capture by adsorption. Chemical Society Reviews. 51 (15), 6574-6651 (2022).
  2. Zhao, P., Zhang, G., Yan, H., Zhao, Y. The latest development on amine functionalized solid adsorbents for post-combustion CO2 Capture: Analysis review. Chinese Journal of Chemical Engineering. 35 (8), 17-43 (2021).
  3. Chen, D., Zhang, S., Row, K. H., Ahn, W. -S. Amine-silica composites for CO2 capture: A short review. Journal of Energy Chemistry. 26 (5), 868-880 (2017).
  4. Nie, L., Mu, Y., Jin, J., Chen, J., Mi, J. Recent developments and considerations issues in solid adsorbents for CO2 capture from flue gas. Chinese Journal of Chemical Engineering. 26 (11), 2303-2317 (2018).
  5. Nithyashree, N., Manohara, G. V., Maroto-Valer, M. M., Garcia, S. Advanced high-temperature CO2 sorbents with improved long-term cycling stability. American Chemical Society Applied Material Interfaces. 12 (30), 33765-33774 (2020).
  6. Song, C., et al. Alternative pathways for efficient CO2 capture by hybrid processes-A review. Renewable and Sustainable Energy Review. 82, 215-231 (2018).
  7. Rochelle, G. T. Amine scrubbing for CO2 capture. Science. 325 (5948), 1625-1654 (2009).
  8. Vaidye, P. D., Kenig, E. Y. CO2-alkanolamine reaction kinetics: A review of recent studies. Chemical Engineering & Technology. 30 (11), 1467-1474 (2007).
  9. Veawab, A., Tontiwachwuthikul, P., Chakma, A. Corrosion behavior of carbon steel in the CO2 adsorption process using aqueous amine solutions. Industrial & Engineering Chemical Research. 38 (10), 3917-3924 (1999).
  10. Chen, S., Bhattacharjee, S. Trimodal nanoporous silica as a support for amine-based CO2 adsorbents: Improvement in adsorption capacity and kinetics. Applied Surface Science. 396, 1515-1519 (2017).
  11. Jiao, J., Cao, J., Xia, Y., Zhao, L. Improvement of adsorbent materials for CO2 capture by amine functionalized mesoporous silica with worm-hole framework structure. Chemical Engineering Journal. 306, 9-16 (2016).
  12. Guo, X., Ding, L., Kanamori, K., Nakanishi, K., Yang, H. Functionalization of hierarchically porous silica monoliths with polyethyleneimine (PEI) for CO2 adsorption. Microporous and Mesoporous Materials. 245, 51-57 (2017).
  13. Fatima, S. S., Borhan, A., Ayoub, M., Ghani, N. A. Development and progress of functionalized silica-based adsorbents for CO2 capture. Journal of Molecular Liquids. 338, 116913 (2021).
  14. Cheng, J., Liu, M., Hu, L., Li, Y., Wang, Y., Zhou, J. Polyethyleneimine entwine thermally-treated Zn/Co zeolitic imidazolate frameworks to enhance CO2 adsorption. Chemical Engineering Journal. 364, 530-540 (2019).
  15. Zagho, M. M., Hassan, M. K., Khraisheh, M., Al-Maadeed, M. A. A., Nazarenko, S. A review on recent advances in CO2 separation using zeolite and zeolite-like materials as adsorbents and fillers in mixed matrix membranes (MMMs). Chemical Engineering Journal Advances. 6, 100091 (2021).
  16. Wang, J., Wang, M., Zhao, B., Qiao, W., Long, D., Ling, L. Mesoporous carbon-supported solid amine sorbents for low-temperature carbon dioxide capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52 (15), 5437-5444 (2013).
  17. Ünveren, E. E., Monkul, B. O., Sarioğlan, S., Karademir, N., Alper, E. Solid amine sorbents for CO2 capture by chemical adsorption: A review. Petroleum. 3 (1), 37-50 (2017).
  18. Demir, H., Aksu, G. O., Gulbalkan, H. C., Keskin, S. MOF membranes for CO2 capture: Past, present and future. Carbon Capture Science & Technology. 2, 100026 (2022).
  19. Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Novel polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve of MCM-41 type as high-capacity adsorbent for CO2 capture. Energy & Fuels. 16 (6), 1463-1469 (2002).
  20. Gelles, T., Lawson, S., Rownaghi, A., Rezaei, F. Recent advances in development of amine functionalized adsorbents for CO2 capture. Adsorption. 26 (94), 5-50 (2020).
  21. Rao, N., Wang, M., Shang, Z., Hou, Y., Fan, G., Li, J. CO2 adsorption by amine-functionalized MCM-41: A comparison between impregnation and grafting modification methods. Energy Fuels. 32 (1), 670-677 (2018).
  22. Anyanwu, J. T., Wang, Y., Yang, R. T. Amine-grafted silica gels for CO2 capture including direct air capture. Industrial & Engineering Chemistry Research. 59 (15), 7072-7079 (2020).
  23. Anyanwu, J. -T., Wang, Y., Yang, R. T. CO2 capture (including direct air capture) and natural gas desulfurization of amine-grafted hierarchical bimodal silica. Chemical Engineering Journal. 427 (14), 131561 (2022).
  24. Sanz, R., Calleja, G., Arencibia, A., Sanz-Pérez, E. S. Amino functionalized mesostructured SBA-15 silica for CO2 capture: Exploring the relation between the adsorption capacity and the distribution of amino groups by TEM. Microporous and Mesoporous Materials. 158, 309-317 (2012).
  25. Moon, H. J., et al. Understanding the impacts of support-polymer interactions on the dynamics of poly(ethyleneimine) confined in mesoporous SBA-15. Journal of the American Chemical Society. 144 (26), 11664-11675 (2022).
  26. Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. Preparation and characterization of novel CO2 "molecular basket" absorbents based on polymer-modified mesoporous molecular sieve MCM-41. Microporous and Mesoporous Materials. 62 (1-2), 29-45 (2003).
  27. Sousa, J. A. R., et al. H2S and H2O combined effect on CO2 capture by amino functionalized hollow microsphere silicas. Industrial & Engineering Chemistry Research. 60 (28), 10139-10154 (2021).
  28. Rim, G., et al. Sub-ambient temperature direct air capture CO2 using amine-impregnated MIL-101(Cr) enables ambient temperature CO2. JACS Au. 2 (2), 380-393 (2022).

Tags

Синтетическая методология Подготовка Импрегнированные Привитые Аминопластики Кремнеземные композиты Улавливание углерода Выбросы CO2 Материалы для улавливания углерода Улавливание точечных источников Прямое улавливание из воздуха Аминофункционализированные адсорбенты CO2 Удаление CO2 Энергопотребление регенерации Адсорбционная способность Пористая подложка Формы аминов Объемы пор Площадь поверхности Методы подготовки Пропитка Прививка Химический синтез Материал кремнеземной подложки Регулируемый размер пор Влагостойкость Температура Стабильность приложения ЦАП
Синтетическая методология получения импрегнированных и привитых кремнеземистых композитов на основе аминов для улавливания углерода
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wentz, C. M., Tsinas, Z., Forster,… More

Wentz, C. M., Tsinas, Z., Forster, A. L. A Synthetic Methodology for Preparing Impregnated and Grafted Amine-Based Silica Composites for Carbon Capture. J. Vis. Exp. (199), e65845, doi:10.3791/65845 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter