Waiting
Login processing...

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

Chemistry

En syntetisk metode til fremstilling af imprægnerede og podede aminbaserede silicakompositter til kulstofopsamling

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

Dette arbejde har til formål at lette udviklingen af standardiserede teknikker til imprægnering eller podning af aminerede forbindelser på silicasubstrater, som ofte er bredt beskrevet i litteraturen. Specifikke mængder opløsningsmiddel, substrat, aminer og værdierne af andre vigtige eksperimentelle parametre vil blive diskuteret detaljeret.

Abstract

For nylig har der været en betydelig indsats for at reducere eller afbøde CO2 -emissioner gennem brug af kulstofopsamlingsmaterialer til punktkilde eller direkte luftfangst (DAC) metoder. Dette arbejde fokuserer på aminfunktionaliserede CO2 -adsorbenter til DAC. Disse materialer viser lovende for CO2 -fjernelse, fordi de har lavt regenereringsenergiforbrug og høj adsorptionskapacitet. Inkorporeringen af aminarter i et porøst substrat kombinerer fordelene ved aminarternes affinitet til CO2 med de store porevolumener og overfladearealer af det porøse substrat. Der er tre metoder, der almindeligvis anvendes til fremstilling af aminbaserede CO2 -sorbenter, afhængigt af udvælgelsen af aminarter, materialestøtte og forberedelsesmetode. Disse metoder er imprægnering, podning eller kemisk syntese. Silica er et udbredt valg af substratmateriale på grund af dets justerbare porestørrelse, fugttolerance, temperaturstabilitet og evne til at adsorbere CO2 i lave koncentrationer til DAC-applikationer. Typiske syntetiske procedurer og primære egenskaber ved både imprægnerede og podede amin-silica-kompositter er beskrevet heri.

Introduction

De menneskeskabte CO2 -emissioner i de sidste mange årtier har i vid udstrækning været impliceret som den vigtigste faktor, der driver drivhusgaseffekten og dermed relaterede klimaændringer 1,2,3,4. Der er to generelle metoder til CO2 -opsamling, punktkilde og direkte luftfangst. I mere end 50 år er teknologier til opsamling afCO2 i vådskrubning blevet anvendt til punktkildeopsamling i branchen for at mindske CO2 -emissionerne 5,6. Disse teknologier er baseret på væskefaseaminer, der reagerer med CO2 og danner carbamater under tørre forhold, og hydrogencarbonater under tilstedeværelse af vand7,8, se figur 1. Hovedårsagen til, at kulstofopsamling og -lagring anvendes i store punktkilder (industrielle), er at forhindre yderligere frigivelse af store mængder CO 2 og dermed have en neutral effekt på den samlede CO2 -koncentration i atmosfæren. Imidlertid lider punktkilde-kulstofopsamlingssystemer af flere ulemper, såsom udstyrskorrosion, nedbrydning af opløsningsmidler og høje energikrav til regenerering9. Direkte luftopsamling (DAC) går videre end emissionsreduktion og kan lette fjernelsen af CO2 fra atmosfæren. Det er nødvendigt at fjerne denne eksisterende CO2 for at begrænse de fortsatte klimaændringer. DAC er en ny metode og skal løse problemerne med at fjerne lave koncentrationer af CO 2 under atmosfæriske forhold (400 til 420 ppm), fungere under en række forskellige miljøforhold og imødekomme behovet for omkostningseffektive materialer, der kan genbruges mange gange 1,2,3 . Der er behov for et betydeligt arbejde for at identificere materialer, der opfylder disse krav, hvilket vil fremskynde vedtagelsen af DAC og forbedre dets økonomiske gennemførlighed. Vigtigst af alt er det nødvendigt at skabe konsensus i samfundet om kritiske måleparametre, hvilket er afgørende for, at benchmarkmaterialer kan udvikles.

Figure 1
Figur 1: Skematisk oversigt over den forventede CO2 -opsamlingsmekanisme for flydende aminadsorbent. Den øverste reaktion er under tørre forhold, og bundreaktionen er i nærvær af fugt. Klik her for at se en større version af denne figur.

I et forsøg på at afhjælpe disse ulemper har betydelig forskning og udvikling af ny porøs materialeteknologi resulteret i en bred vifte af lovende materialer, der har potentiale til at blive brugt som enten opsamlingsmaterialer eller substrater til DAC. Nogle eksempler på sådanne materialer omfatter mesoporøse silicaarter 10,11,12,13, zeolitter14,15, aktivt kul 16,17 og metalorganiske rammer 18. Mange fastunderstøttede aminadsorbenter viser også en højere tolerance over for vand, hvilket er en vigtig overvejelse ved fjernelse af CO2 gennem DAC-tilgange. For DAC-applikationer skal forskere overveje våde / tørre miljøforhold, varme / kolde temperaturer og en samlet fortyndet atmosfærisk CO2 -koncentration. Blandt de forskellige substratmaterialer anvendes silica almindeligvis på grund af dets justerbare porestørrelser, evne til overfladefunktionalisering og stort overfladeareal 1,2,3. Typiske syntetiske procedurer og primære træk ved både imprægnerede og podede amin-silica-kompositter er beskrevet i dette arbejde (figur 2). Direkte syntese, hvor materialet fremstilles in situ med begge komponenter, substrat og amin, er en anden almindeligt anvendt metode2.

Figure 2
Figur 2: Skematiske repræsentationer af imprægnering. Blanding af PEI og silicasubstrat i methanol gennem diffusion (øverst) og podede amin-silica-kompositter gennem kovalent tethering (bund). Klik her for at se en større version af denne figur.

Imprægnering er en metode, hvor en amin fysisk adsorberes på en overflade, i dette tilfælde et porøst silicamedium, gennem van der Waals-kræfter og hydrogenbinding mellem amin- og silicaoverfladen19, se figur 2. Opløsningsmidler såsom ethanol og methanol anvendes almindeligvis til at fremme diffusionen af molekylerne i substratmaterialets porøse struktur. Opløsningen kan også opvarmes for at øge opløseligheden af polyaminer med høj molær masse og derved øge homogeniteten af aminindtrængning i porerne. I tilfælde af imprægnerede materialer bestemmes mængden af amin, der indføres i et silicasubstrat, af den oprindelige mængde amin og substratets overfladeareal. Hvis mængden af indført amin overstiger det tilgængelige overfladeareal af silicasubstratet, vil aminarterne agglomerere på overfladen. Denne agglomerering er let synlig, da det imprægnerede materiale vil synes at have en gellignende belægning, ofte gul, snarere end det forventede hvide og pulverformige udseende1. Blandt de mange typer amin-base faste adsorbenter er polyethyleneimin (PEI) og tetraethylenpentamin (TEPA) de mest anvendte på grund af deres høje stabilitet og høje nitrogenindhold20. For fysisk imprægnerede systemer kan den teoretiske belastningsmængde af amin beregnes ud fra de prævægtede mængder af substratet og densiteten af aminen. Den åbenlyse fordel ved fysisk imprægnering ligger i den enkle synteseprocedure til fremstilling af den såvel som potentialet for et stort aminindhold på grund af silicasubstratets høje porøsitet. Omvendt er stabiliteten af aminen i silica begrænset, fordi der ikke er nogen kovalent binding mellem amin- og silicastøtten. Derfor kan aminen efter flere cyklusser af CO2 -optagelse og regenerering gennem varme eller damp udvaskes ud af porerne. På trods af disse ulemper har implementeringen af sådanne materialer til DAC et stort løfte om at fjerne CO2 fra atmosfæren.

En anden mulighed for fremstilling af DAC-materialer er podning. Podning er en metode, hvorigennem aminer immobiliseres på et porøst silicasubstrat gennem en kemisk reaktion, som vist i figur 2. Denne reaktion fortsætter ved at reagere en aminosilan med overfladens silanol funktionelle gruppe, hvilket resulterer i en kovalent binding. Derfor påvirker antallet af funktionelle grupper på overfladen af silicasubstratet den podede amindensitet21,22. Sammenlignet med aminimprægnerede adsorbenter har kemiske podningsmetoder haft lavere CO2 -adsorptionskapacitet, hovedsagelig på grund af den lave aminbelastning21. Omvendt har kemisk podede aminer øget termisk stabilitet på grund af deres kovalent bundne struktur. Denne stabilitet kan være nyttig i regenerering af materialet, da adsorbenter (såsom podet silica) opvarmes og sættes under tryk for at fjerne den fangede CO2 til genbrug for at spare materiale og omkostninger. I en typisk synteseprocedure dispergeres det mesoporøse silicasubstrat i et opløsningsmiddel (fx vandfri toluen), som derefter efterfølges af tilsætning af aminosilaner. Den resulterende prøve vaskes derefter for at fjerne ureagerede aminosilaner. Forbedringer i aminosilantæthed rapporteres at være opnået gennem tilsætning af vand, specifikt med SBA-15, for at udvide porestørrelse23. Fremgangsmåden til podning, der vil blive beskrevet heri, bruger fugtfølsomme teknikker. Derfor vil der ikke blive brugt yderligere vand. Implementering af podede aminosilanmaterialer til DAC er lovende på grund af deres forventede stabilitet under CO2 adsorptions- og desorptionsprocesser. De største ulemper ved denne metode omfatter imidlertid de komplekse reaktioner/fremstilling af disse materialer, hvilket fører til øgede omkostninger, og deres samlede lave CO2 adsorptionskapacitet, hvilket betyder, at der kræves større mængder.

Samlet set indikerer resultaterne af mange tidligere undersøgelser, at substratets struktur og aminrelateret modifikation har en signifikant indvirkning på adsorptionsydelsen med specifikke undersøgelser, der anvender teknikker som transmissionselektronmikroskopi (TEM) og kvasielastisk neutronspredning (QENS) til fuldt ud at karakterisere disse materialer24,25. Med andre ord bestemmer substratmaterialets strukturelle egenskaber (f.eks. porøsitet og overfladeareal) aminbelastningen, så forøgelse af disse parametre kan forbedre CO2 -kapaciteten24,25. Fortsat forskning i optimering og design af substratmaterialer og forberedelsesprocesser er afgørende for udviklingen af højtydende adsorbenter til DAC. Målet med dette arbejde er at give vejledning om imprægnering og podet aminsyntese i håb om at lette bedre gennemsigtighed i syntetiske teknikker. Inden for litteraturen beskrives ikke altid specifikke detaljer om mængderne af opløsningsmiddel, substrat og aminer, hvilket gør det vanskeligt at forstå sammenhængen mellem eksperimentelle belastningsmængder og kvantitative målinger af amin-silica-kompositter. De nøjagtige lastemængder og en detaljeret beskrivelse af forsøgsprocedurerne vil blive givet heri for bedre at lette disse typer sammenligninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Detaljer relateret til udstyr, instrumentering og kemikalier, der anvendes i dette afsnit, findes i materialetabellen.

1. Imprægnering af silica med polyethyleneimin med en molær masse på 800 g / mol (PEI 800)

  1. Forberedelse af reaktion
    1. Brug vandfri methanol som opløsningsmiddel i denne reaktion. Det har et lavt kogepunkt; Således letter dens volatilitet dens senere fjernelse ved lavere temperaturer.
      BEMÆRK: Vandfrit opløsningsmiddel er vigtigt, fordi vand kan forhindre PEI 800 i at komme ind i porerne i silicastøtten. Et andet almindeligt anvendt opløsningsmiddel er ethanol, som har et højere kogepunkt og kræver længere tørretider og højere tørretemperaturer.
    2. Beregn massefraktionen (%) af amin ved hjælp af ligning 1, hvor mamin = masse amin, m silica = masse af anvendtsilica .
      Ligning 1: Equation 1
    3. Massefraktion af amin (wamin) i MCM-41 silica vil være 59,9% (750 mg amin og 500 mg silica). For hver 1 g amin skal du bruge 10 ml vandfri methanol. Dette gøres, så den samlede blanding er en fortyndet opslæmning. Disse beregnede mængder klassificeres som eksperimentelle (w amine_exp) og klassificeres yderligere for hver syntetisk metode (f.eks. w amine_exp_imp (imprægneret) og wamine_exp_graft (podet)).
    4. For at sikre, at alle glas er uden fugt, skal du sætte dem i en ovn ved 140 °C i mindst 1 time før brug.
  2. Fremstilling af silicastøtte
    BEMÆRK: MCM-41 silica er det faste substrat, der anvendes i denne proces. Da MCM-41 er adsorberende silica, forventes det at adsorbere vand fra atmosfæren eller under fremstillingen.
    1. Tør MCM-41 silica for at sikre, at der ikke er adsorberet vand i porerne. Anbring den ønskede mængde silica i en petriskål af glas, dæk den med punkteret aluminiumsfolie, og læg den derefter i en vakuumovn.
    2. Påfør først vakuumet (typisk mindre end 3 kPa, som ændres baseret på hvert enkelt vakuumsystem), og indstil derefter ovnen til en temperatur på ca. 110 °C for at sikre fjernelse af vand. Udfør dette trin i mindst 2 timer, før du fortsætter med syntese.
  3. Imprægneringsmetode
    1. Brug en ren, tør laboratoriespatel og overfør den ønskede mængde (750 mg) polyethyleneimin (PEI) til reaktionsbeholderen (i dette tilfælde et 35 ml tørt hætteglas). Sæt låg på reaktionsbeholderen under transport.
    2. Overfør reaktionsbeholderen til en kemisk damphætte, fastgør eller fastgør den i emhætten, og læg den over en omrøringsplade. Fjern låget på reaktionsbeholderen.
    3. Anbring en ren, tør omrøringsstang i reaktionsbeholderen.
      BEMÆRK: Brug af en omrøringsstang sikrer jævn blanding, kan tillade, at opløsningen omrøres i længere tid, letter bedre spredning og kan muliggøre sikker opvarmning af reaktionen uden behov for manuel blanding.
    4. Brug en pipette til at tilsætte 7,5 ml vandfri methanol (for hver 1 g amin, brug 10 ml methanol) fra en gradueret cylinder. Tænd omrøringspladen. Lad opløsningen blandes i 15 minutter for at sikre, at PEI er helt opløst og homogent dispergeret i opløsningsmidlet.
      BEMÆRK: Efter blanding vil opløsningen fremstå klar/gennemsigtig, hvilket angiver fuldstændig polymeropløsning.
    5. Brug en ren, tør laboratoriespatel til at overføre den ønskede mængde (500 mg) fortørret silica (i dette tilfælde MCM-41) til vejepapir. Overfør silica til reaktionsbeholderen inde i damphætten.
      BEMÆRK: Denne eksperimentelle belastningsmængde af amin svarer til den faktiske målte mængde ved termogravimetrisk analyse (TGA).
      FORSIGTIG: Indånding af silicastøv kan beskadige lungevæv. Det anbefales at bære en N95-åndedrætsværn, når du arbejder med silicasubstrater (se lokale sikkerhedsretningslinjer for passende valg til et individuelt laboratorium) og arbejde i en kemisk udstødningshætte. Disse silicamaterialer udviser ofte "statisk klæbende" egenskaber og spredes let i damphætten. Udfør dette trin hurtigt for at undgå fugtadsorption på silica fra luften.
    6. Tilsæt yderligere methanol for at skylle silica i beholderen for at sikre fuld eksponering for PEI i opløsningen, hvis det er nødvendigt. Blandingen vil fremstå som en gylle; se figur 3.
    7. Anbring beholderen i et silikoneoliebad, en varmeblok eller en varmekappe ved 40 ° C til 50 ° C for at sikre fuld opløselighed af PEI, homogen blanding og for at tilskynde aminbelastning i den porøse silica.
      BEMÆRK: Forhøjede temperaturer anvendes ikke altid under imprægneringsprocedurer, og litteraturen har vist, at andre har blandet ved stuetemperatur (RT)1,2,3. I denne protokol anvendes opvarmning til at lette homogen blanding.
    8. Sørg for, at omrøringsstangen blander opløsningen jævnt. Opløsningen omrøres under varme i ca. 1 time.
      BEMÆRK: Afhængigt af reaktionsstørrelse og individuelle præferencer kan valget af reaktionsbeholder variere. Derfor kan den måde, reaktionen opvarmes på (oliebad, varmeblok eller varmekappe) variere for bedst muligt at imødekomme valget af reaktionsbeholderen.
    9. Fjern reaktionsbeholderen fra varmekilden, og lad den afkøle til RT under stadig omrøring. Når den er helt afkølet, skal du stoppe omrøringen og fjerne omrøringsstangen.
    10. Sæt beholderen med prøven under vakuum på en Schlenk line (typisk <3 kPa, reducer trykket langsomt for at undgå stød).
    11. Lad reaktionsbeholderen forblive på Schlenk-ledningen, indtil alt opløsningsmiddel er synligt fjernet. Overfør derefter prøven til en anden opbevaringsbeholder efter eget valg, såsom en petriskål af glas.
    12. Anbring derefter prøven i en vakuumovn, tænd for støvsugeren (typisk <1,3 kPa), og indstil derefter ovnen til ca. 70 °C. Lad prøven tørre under vakuum i mindst 18 timer for at sikre, at en tilstrækkelig mængde methanol er fjernet.
      BEMÆRK: Overvej niveauet af opløsningsmiddel, før du placerer den valgte beholder i en vakuumovn på grund af risikoen for, at prøven og opløsningen uregelmæssigt forlader beholderen på grund af vakuumet. Der er typisk ikke mere end 1 ml opløsningsmiddel tilbage i prøven/beholderen, før den anbringes i vakuumovnen.
    13. Efter tørring fremstår materialerne hvide og pulverformige. Opbevar det i et fugtfrit, luftfrit miljø, indtil det er nødvendigt til videre brug.
      BEMÆRK: Dette trin kan være i en vakuumekssikkator eller handskeboks, der er forberedt med et luft- og fugtfrit miljø. Se figur 4 for det forventede slutprodukts udseende.

Figure 3
Figur 3: Repræsentative billeder af reaktioner. (A) Fotografi af PEI-silica-opslæmning (i methanol) under PEI-imprægnering inden overførsel til en varmeblok og (B) apparat til podning af DAS efter opvarmning i 6 timer er afsluttet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Slutprodukternes repræsentative udseende efter tørring. A) PEI-imprægnering ved wamine_exp_imp = 59,9 %. B) podet DAS ved wamine_exp_das = 90,0 %. Klik her for at se en større version af denne figur.

2. Fremstilling af vådpodet silica med N'-(3-trimethylsilylpropyl)diethylenamin (DAS)

  1. Fremstilling af opløsning
    1. Brug vandfri toluen i denne reaktion. Det har et højt kogepunkt (110 °C), hvilket giver mulighed for blanding ved høj temperatur. Aminosilan (N'-(3-trimethylsilylpropyl)diethylenamin (DAS) er meget opløseligt i dette medium.
      BEMÆRK: Det er vigtigt at udføre denne reaktion under vandfrie forhold, fordi vand kan interagere med aminosilaner for at ændre arten af dets binding til silicaoverfladen. Den anvendte vandfri toluen leveres med et septum-capped låg. Derfor vil en gastæt sprøjte blive brugt til at overføre opløsningsmiddel til reaktionsbeholderen. For hver 1 g DAS anvendes 5 ml toluen. For 5 ml DAS (1,028 g / ml) anvendes således 25 ml opløsningsmiddel.
  2. Fremstilling af silicastøtte
    1. Tør silica ved hjælp af proceduren beskrevet ovenfor i trin 1.2.
  3. Fremstilling af siloxan
    1. Aminosilanen er fugtfølsom, da tilstedeværelsen af vand kan forårsage polymerisation. Håndter således reaktionen som en fugtfri reaktion. Opbevar DAS i en lågflaske med septumlåg, og brug en gastæt sprøjte til overførsel.
      FORSIGTIG: Der er mange sundhedsrisici og farer forbundet med aminosilaner. Gennemgå sikkerhedsdatabladet, inden eksperimentet påbegyndes, og overhold alle anbefalede sikkerhedsforanstaltninger.
  4. Podet silica metode
    1. Det er vigtigt at bemærke, at aminosilaner i modsætning til imprægneringsmetoden forventes at have lavt podningsnitrogenindhold på silicasubstratet. Derfor er belastning wamine_exp_graft i denne reaktion eksperimentelt = 90,0% DAS for at øge sandsynligheden for, at aminosilan lokaliserer silanolgrupper på silicastøtten og kovalent binding med succes.
    2. Tør alt glas i ovnen i mindst 2 timer før brug for at sikre en fugtfri overflade.
    3. Fyld en rundbundet Schlenk-kolbe udstyret med en magnetisk omrøringsstang med den ønskede mængde (500 mg) silicastøtte (MCM-41).
    4. Indsæt en gummiseptum i reaktionsbeholderen, og cyklus reaktionsbeholderen på en Schlenk-linje tre gange for at fjerne luft og fugt. Dette gøres ved at åbne reaktionsbeholderens stophane for at støvsuge i ca. 30 sekunder, lukke stophanen, skifte til en inaktiv gas (enten N2 ellerAr2) i ca. 30 sekunder og derefter åbne stophanen igen. Efter at reaktionsbeholderen er blevet cyklet, opretholdes et inaktivt gasmiljø i følgende proceduremæssige trin.
    5. Indsæt en linje med inaktiv gas i flasken med låg til septumlåg (sikker forsegling), brug derefter den gastætte sprøjte og rens sprøjten med inaktiv gas, før du fjerner den ønskede mængde vandfri toluen (i dette tilfælde 25 ml).
      BEMÆRK: Se figur 5 for et billede af den sikre forsegling med en inaktiv gasindgang og en gastæt sprøjte. Bøjningen (blå pil) placeres i røret før overførsel for at forhindre dryp. Denne teknik bruges når som helst gastæt sprøjtning af en væske er nødvendig. Mængden af opløsningsmiddel dikteres af mængden af tilsat aminosilan. For hver 1 ml aminosilan skal du bruge 5 ml vandfri toluen for at sikre opløselighed. Det er vigtigt at fylde sprøjten med 25 ml toluen og derefter løfte kanylen over opløsningsniveauet i flasken. Træk derefter lidt inaktiv gas ud af hovedrummet over toluen, før sprøjten fjernes fra toluenbeholderen.
    6. Sørg for, at den magnetiske omrøring inde i reaktionsbeholderen omrøres jævnt, før du begynder dette trin. Den vandfrie toluen i den gastætte sprøjte overføres ved at punktere septum på reaktionsbeholderen og frigive toluen i beholderen.
    7. Fjern nålen med inaktiv gas.
    8. De samme trin (2.4.6 til 2.4.8) gentages med aminosilan (4,8 ml DAS).
    9. Brug en adapter til at fastgøre en linje fra Schlenk-linjen til en vandkondensator ved hjælp af vakuumfedt. Pak bunden af kondensatorapparatet ind med polytetrafluorethylen (PTFE) tape (dette trin sikrer ingen forurening med fedt). Fastgør derefter kondensatorapparatet til den rundbundede Schlenk-kolbe for at forberede glasopsætningen; se figur 3.
    10. Fastgør 'kolde' vandledninger til vandkondensatoren, og tænd den.
      BEMÆRK: Det 'kolde' vand (under 23 °C) bevæger sig ind i bunden af kondensatoren og ud af toppen i en vask. Rørene sikres (med ledninger, lynlåsbånd eller stålslangeklemmer) for at undgå lækage af vand på forbindelsesstederne.
    11. Sænk reaktionsbeholderen ned i et silikoneoliebad eller en varmeblok, eller anbring den i en varmekappe på mellem 80 °C og 100 °C. Denne temperatur er valgt for at hjælpe med at lette podningen af aminosilan (DAS), homogen blanding og tilskynde til aminbelastning.
    12. Stophanen lukkes for den inaktive gas på den rundbundede Schlenkkolbe, og stophanen på kondensatoren er åben; se figur 3B.
      BEMÆRK: Dette trin udføres for at forhindre, at toluen stiger op i røret placeret tæt på apparatet (Schlenk kolbe sidearm), samtidig med at reaktionen holdes under en inaktiv atmosfære på grund af indløbet øverst på kondensatoren; se figur 3 for denne opsætning.
    13. Sørg for, at omrøringsstangen blander opløsningen jævnt. Rør under opvarmning i 6 timer.
    14. Lad reaktionsbeholderen afkøle til RT. Brug vakuumfiltrering til at opfange den faste podede aminsilica på filterpapiret og skyl med rigelige mængder vandfri toluen (3 gange med 10 ml).
    15. For at vakuumfiltrere skal du udstyre en Erlenmeyer-filkolbe med arm til at støvsuge via en slange. Placer en gummispuns ved åbningen, placer Buchner-tragten oven på gummispunsen, og placer til sidst et filterpapir i Buchner-tragten. Filtrerpapiret opvarmes med vandfri toluen.
    16. Tænd for støvsugeren, og fordel hurtigt opløsningen på filterpapiret. Det hjælper med at skylle reaktionsbeholderen med den vandfrie toluen, inden den hældes på filterpapiret under vask.
    17. Det endelige materiale vises hvidt på filterpapiret. Fjern det podede silanmateriale fra filterpapiret ved hjælp af en ren, tør laboratoriespatel og læg det i et hætteglas.
    18. Dæk hætteglasset med punkteret aluminiumsfolie og læg det i en vakuumovn. Tænd for støvsugeren. Sæt ovnen til ca. 100 °C og lad den tørre i ca. 18 timer for at fjerne overskydende toluen.
      BEMÆRK: Materialerne fremstår hvide og pulverformige efter tørring og opbevares i et fugtfrit, luftfrit miljø. Dette kan være i en vakuumekssikkator eller handskeboks, der er forberedt med et luft- og fugtfrit miljø. Se figur 4 for slutproduktets udseende.
    19. Denne procedure gentages yderligere to gange (i alt 3 gange, trin 2.4.1 - 2.4.16).

Figure 5
Figur 5: Fotografier af en sikker forseglingsbeholder . A) Beholder med en nål forbundet til en inaktiv gas (N2 eller Ar2) og B) med inaktiv gas tilsluttet og gastæt sprøjte fastgjort med »bøjet« kanyle (blå pil), der skal anvendes til overførsel uden lækage. Klik her for at se en større version af denne figur.

3. Analyse af silica-kompositmaterialer af TGA

BEMÆRK: Standardusikkerheden forbundet med denne måling er ca. ± 0,01 % i masse og ± 1 °C i temperatur.

  1. Brug instrumentets applikationssoftware til TGA, tara en tom gryde.
  2. Den tarerede gryde fjernes fra prøvens ilægningsområde, og prøven hældes i gryden. Anbring prøven i midten af gryden og brug mindst 2 mg for at sikre tilstrækkelig opløsning af massetab. Anbring gryden med prøven tilbage i lastområdet.
  3. Brug instrumentsoftwaren til at tilpasse en procedurekørsel, der først ekvilibrerer ved ca. 50 °C i 5 minutter i et 100 %N2-miljø med en gasstrømningshastighed på 60 ml/min. Indstil derefter en rampe på 2 °C/min til 5 °C/min til 1000 °C. Marker slutningen af cyklussen. Disse målinger betegnes som wamine_TGA, da de vurderer det reelle aminindhold i materialet ved hjælp af TGA. Dette klassificeres yderligere for hver syntetisk metode (f.eks. w amine_TGA_imp (imprægneret metode) og wamine_TGA_graft (podet metode)).
    BEMÆRK: Specifikke anbefalinger for strømningshastigheder kan variere for individuelle TGA'er. Se producentens specifikationer, før du vælger den passende strømningshastighed til et individuelt eksperiment.
  4. Gentag trin 3.1-3.3 for eventuelle yderligere eksperimentelle kørsler.
  5. Anvend trin 3.1 til opsætning af CO2 adsorptionseksperimentet.
  6. Brug instrumentsoftwaren til at tilpasse en procedurekørsel, der først udligner ved 100 °C i 5 minutter og derefter ramper ved 20 °C/min til 40 °C. Derefter påføres et isotermisk hold ved 40 °C i 10 minutter, før der indføres en blandet gas på 5 % CO 2 i N2, 60 ml/min strømningshastighed.
  7. Prøven opbevares ved 40 °C under denne gasblandingsbetingelse i 100 minutter. Denne procedure udføres for at måle CO2 -adsorption ved vægtforøgelse. Disse målinger betegnes som wCO2, da de evaluerer CO2 -adsorptionen i materialet. Dette klassificeres yderligere for hver syntetisk metode (f.eks. w CO2_imp (imprægneret metode) og wCO2_graft (podet metode)).
  8. Til cyklusundersøgelser tilpasses en procedurekørsel ved hjælp af instrumentsoftwaren, der først åbner til 100 %N2-gas , isotermisk hold i 5 minutter, før der ramper ved 20 °C/min til 105 °C, og isotermisk hold i 5 minutter.
  9. Derefter rampes ned ved 10 °C/min til 40 °C, og isotermen holdes i 1 min, før en blanding af 5 % CO 2 i N2 frigives, og isotermen holdes i 35 minutter. Gentag de proceduremæssige trin 10 gange.
  10. I softwaren skal du tilføje denne kørsel så mange gange som ønsket for at tilføje ekstra cyklustrin. Sørg for ikke at ændre pandenummeret og fjerne vægtstabiliseringstrinnet for de tilføjede kørsler efter den første kørsel. Dette giver brugeren mulighed for at placere flere 10-cykluskørsler sammen i en metode.

4. Analyse af silicakompositmaterialer ved hjælp af Fourier-transformering infrarød spektroskopi (FTIR) ved hjælp af et svækket total reflektans (ATR) tilbehør

BEMÆRK: Standardusikkerheder forbundet med dette instrument er ± 1 % i topintensitet og ± 4 cm-1 i bølgetal, derfor er usikkerheden i intensitet i den rapporterede kurve ± 1,4 % ved anvendelse af en lineær udbredelse af usikkerheder.

  1. Rengør vinduet (diamanten) på FTIR-ATR-tilbehøret med en serviet med lavt fnugindhold og methanol.
  2. Indsaml et baggrundsspektrum ved hjælp af softwarens grundlæggende målevindue.
  3. Brug en ren og tør spatel til at placere prøven over FTIR-ATR-vinduet. Brug ATR-kompressionssonden til at skubbe prøven i kontakt med vinduet.
  4. Indsaml et prøvespektrum ved at trykke på knappen Indsaml prøve i det grundlæggende målevindue, og indlæs den tilknyttede baggrund fra filen opnået i trin 4.2.
  5. Gentag trin 4.1 til 4.4 for alle prøver.

5. Analyse af silicakompositmaterialer før og efter imprægnering og podning af aminer ved scanning elektronmikroskopi (SEM)

  1. Monter prøver i pulverform på aluminiumstubbe ved forsigtigt at sprede dem på kulstofledende dobbeltsidet tape. Et stereomikroskop hjælper med denne procedure ved at øge synligheden af prøvespredningen.
  2. Sputter belæg hver prøve med en 5 nm guld-palladium (Au-Pd) ledende belægning for optimale billeddannelsesforhold.
  3. Billede overflademorfologien af substratets silicamateriale før og efter imprægnering eller podning på en dobbeltstråle, feltemission SEM under højt vakuum (dvs. mindre end 0,4 mPa, 3 x 10-6 torr).
    BEMÆRK: De valgte parametre for stråleenergi (1 keV) og sondestrøm (6,3 pA og 25 pA) blev optimeret til klare billeder med minimal opladning, artefakter og drift.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

TGA bruges almindeligvis til at kvantificere mængden af amin, der er indlæst eller podet på silicaoverfladen for disse materialer. De opnåede TGA-kurver viser et tab af restopløsningsmiddel og vand mellem 60 °C og 100 °C, som er vist på derivatvægtkurven (vægt%/°C) som den første top, og et tab af amin, som er vist i derivatvægtkurven (vægt %/°C) som den anden top. For PEI-imprægneret silica forventes dette tab af amin at forekomme omkring 200 °C til 300 °C, hvilket fremstår som den anden top i derivatvægtkurven, og for DAS-podet silica forventes tabet af amin at forekomme omkring 350 °C til 550 °C (figur 6). Det samlede vægttab er vejledende for mængden af amin, der er belastet eller podet på silicasubstratet og er en vigtig karakteriseringsparameter til bedømmelse af syntesens kvalitet. For PEI-imprægnerede prøver er w amin med TGA (w amine_TGA_imp) = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3) i modsætning til eksperimentelle (wamine_exp_graft) = 59,9 % (figur 6B). For DAS-podede prøver er w amine_TGA_graft = 22,3 % ± 0,1 % (n = 3) i modsætning til wamine_exp_graft = 90,0 %, når syntesen gentages tre gange (figur 6A).

Figure 6
Figur 6: TGA. (A) PEI imprægneret ved w amine_exp_imp = 59,9 % observeret, w amine_TGA_imp = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3) og B) Podede materialer ved w amine_exp = 90,0 % observeret, wamine_TGA = 22,3 % ± 0,2 % (n = 3). Klik her for at se en større version af denne figur.

I figur 7 blev den samlede CO 2 adsorption målt ved hjælp af TGA ved 5 % CO 2 i N2, en strømningshastighed på 60 ml/min. og holdt ved 40 °C i 60 minutter. I figur 7A vises CO 2 adsorptionskurver for PEI-imprægnerede prøver med en gennemsnitlig CO 2 vægtprocent adsorption (wCO2_imp) på 6,16 % ± 0,2 % (n = 3). I figur 7B vises CO 2 adsorptionskurver for DAS-podede prøver med wCO2_graft =2,03 % ± 0,04 % (n = 3). Inden for disse TGA-kurver korrigeres basislinjen, så den begynder ved 100 %.

Figure 7
Figur 7: TGA-kurver for adsorption af CO2. (A) Imprægneret PEI MCM-41-prøve wCO2_imp= 6,16 % ± 0,3 % (n = 3). B) Podet DAS MCM-41-prøve wCO2_graft = 2,03 % ± 0,04 % (n = 3). Klik her for at se en større version af denne figur.

FTIR-ATR-spektroskopi er en type vibrationsspektroskopi, der almindeligvis anvendes til at forstå et materiales kemiske struktur. Figur 8 viser FTIR-ATR-spektre af pæne PEI-, DAS- og MCM-41-materialer sammenlignet med PEI-imprægnerede eller DAS-podede MCM-41-materialer. Forskellige toppe fra 2500 cm-1 til 3600 cm-1 tilskrives de aminbaserede N-H-signaler, der forventes fra de aminerede materialer. Ved sammenligning af spektrene af de imprægnerede og podede materialer observeres et fald i topintensitet, hvilket tilskrives en lavere mængde amin i det podede materiale. Stærke toppe svarende til Si-O-Si spænder fra 400 cm-1 til 1200 cm-1 kan ses inden for spektrene. De præsenterede spektre korrigeret for svækket total refleksion og derefter automatisk baseline korrigeret gennem instrumentets software.

Figure 8
Figur 8: FTIR-spektre. Repræsentative FTIR-spektre for pæn PEI, MCM-41, DAS, DAS-podet prøve og PEI-imprægneret materialeprøve. Klik her for at se en større version af denne figur.

I figur 9 sammenlignes SEM-mikrografier af uændret MCM-41 med MCM-41 imprægneret med PEI ved w amine_TGA_imp = 59,2 % og MCM-41 podet med DAS ved wamine_TGA_graft = 22,3 % for morfologiske forskelle og overfladeforskelle.

Figure 9
Figur 9: SEM-billeder . (A) PEI-imprægneret MCM-41, (B) pæn MCM-41 og (C) DAS-podet MCM-41. Klik her for at se en større version af denne figur.

I figur 10 og figur 11 måles pæne udgangsmaterialer som MCM-41, DAS og PEI 800 ved hjælp af TGA til baseline-reference for vægttab og CO2 -adsorption. I figur 10A kan pæne MCM-41 TGA-kurver ses som et langsomt, gradvist vægttab, men uden klare toppe i derivatvægten (vægt% / ° C). I figur 10B ses pæne PEI 800 TGA-kurver med et samlet vægttab fra 200 °C til 370 °C.

Figure 10
Figur 10: TGA-kurver. (A) Ren MCM-41 wMCM41 = 8,58 % ± 0,5 % (n = 3 ). B) PEI 800 molekylvægt wPEI = 98,9 % ± 0,9 % (n = 3). .Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 11
Figur 11: TGA-kurver. (A) Adsorption af CO 2 af ren MCM-41 wCO2 = 0,223 % ± 0,2 % (n = 3). (B) Adsorption af CO2 af ren PEI 800 wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). C) Adsorption af CO2 af ren DAS wCO2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Klik her for at se en større version af denne figur.

I figur 11A er CO 2 adsorptionskurven vist for ren MCM-41 med minimal CO 2 adsorption wCO2 = 0,222 % ±0,2 % (n = 3). I figur 11B vises pæn PEI 800's CO 2 -adsorptionskurve med minimal CO2 -adsorption wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). I figur 11C vises en CO 2 adsorptionskurve for ren DAS med minimal CO2 adsorption wCO2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Bemærk, at adsorptionen for de pæne materialer er lav, fordi CO2 -adsorptionen kun forekommer på overfladen, der udsættes for det blandede gasmiljø. DAS er især luft- og fugtfølsom og udsættes for luft under påfyldningsprocessen i TGA, hvilket kan påvirke dens evne til at adsorbere CO2.

I figur 12 vises CO2 adsorptions- og desorptionscykluskurver for imprægneret MCM-41 (figur 12A) og podet MCM-41 (figur 12B). Inden for denne protokol aktiveres prøven først ved opvarmning til 105 °C under 100 %N2 i 5 minutter, rampes derefter ned til 40 °C og opbevares i 1 min, før en blanding af 5 % CO 2 i N2 indgives i 35 minutter. Denne procedure gentages derefter (figur 12C). Figuren viser ti gentagelsescyklusser med faldende adsorptionsevne af materialet, efterhånden som tiden skrider frem. Data kan tilgås via Administration of Institutional Data Assets (MIDAS) hos https://doi.org/10.18434/mds2-3017.

Figure 12
Figur 12: Cyklisk TGA-adsorptions- og desorptionsundersøgelse. (A) PEI-imprægneret MCM-41, (B) DAS-podet MCM-41 og (C) temperaturprofil for procedurekørslerne for (A) og (B). Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De metoder, der er beskrevet heri, er beregnet til at tilvejebringe en protokol til fremstilling af imprægnerede og podede aminsilica-kompositadsorbenter. De procedurer, vi har dokumenteret, er baseret på gennemgang af teknikker, der er rapporteret i litteraturen, og dem, der er raffineret i vores laboratorium. 1,2,3. Forberedelse af disse materialer er nyttig inden for forskning i fjernelse af kuldioxid til udvikling eller benchmarking af andre materialer, der kan bruges til at sænke CO2 -emissioner enten i atmosfæren (direkte luftopsamling) eller i industrielle processer (punktkildefangst). Blandt faste aminadsorbenter anvendes mesoporøs silica almindeligt. Silikasubstrater har tendens til at have enkle synteser eller kan købes kommercielt med strukturelle egenskaber, der gør dem til et godt valg til imprægnering eller podning af aminbaserede faste adsorbenter21. Inden for denne procedure anvendes MCM-41 som silicasubstrat på grund af dets store overfladeareal og smalle porestørrelsesfordeling mellem 35 Å og 38 Å. Imidlertid er en anden almindeligt undersøgt silicastøtte SBA-15, som også anvendes i kulstoffangstforskning på grund af dets store overfladeareal, porevolumen og ensartet mesopore størrelse24. Systematiske undersøgelser ved hjælp af MCM-41 og PEI via imprægnering har vist en stigning i CO2 -adsorption med en stigning i PEI-belastningsmængde26. Tidligere resultater, der beskriver vægttabet for imprægnerede MCM-41 silicakompositter, er givet af Xu og kolleger26 og for podede silicakompositter af Sousa og kolleger27, der eksperimenterede medH2Sog H 2 O-effekt på CO2-fangst. Xu og kolleger26 fandt, at deres MCM-41 ved 50% (vægt%) belastning af PEI har en adsorptionskapacitet på 112 mg CO2 / g-adsorbent. Vægttab TGA af disse imprægnerede materialer er også præsenteret i manuskriptet. Til sammenligning har MCM-41 59,9% (vægt%) imprægneret PEI i dette manuskript en kapacitet på 61,6 mg CO2 / g-adsorbent. Selvom dette ser ud til at være meget mindre end den rapporterede mængde, skal du overveje, at måleparametrene er forskellige - Xu og kolleger opvarmede prøven til 75 ° C, havde en 99,8% blanding af CO 2 i N2 og en 100 ml / min strømningshastighed i 150 minutter. Den øgede temperatur og næsten 100 % CO 2 forsøgsbetingelser bidrog sandsynligvis begge til adsorptionen af CO2. Dette fremhæver udfordringerne ved at sammenligne undersøgelser, hvor eksperimentelle procedurer er forskellige.

Selv for en tilsyneladende enkel metode som imprægnering varierer valget af opløsningsmiddel, silica / opløsningsmiddelkoncentration, amin / opløsningsmiddelkoncentration, omrøring / blandingsmetode, temperatur og blandingstid meget i litteraturen. Dette papir er beregnet til at beskrive en metode til fremstilling af disse materialer, men hver enkelt forsker kan foretage valg, der passer til deres egne forskningsmål. Derudover kan disse metoder tilpasses andre adsorberende substrater til kulstofopsamling. Det er vores hensigt at hjælpe med at lette forskning i materialer til fjernelse af kuldioxid ved at give et udgangspunkt for et sådant arbejde med denne metode.

Mange undersøgelser har formidlet, at placeringen af aminerne inden for strukturen af en silicakomposit kan ændre sig for imprægnerede versus podede aminer. Imprægnerede materialer fyldt med PEI har højere grader af funktionalisering (dvs. aminindhold) på overfladen, hvilket kan forhindre CO 2 -diffusion i porerne 1,2,3,24. Poreblokering har været forbundet med koldere reaktionstemperaturforhold, højere aminbelastning og sterisk hindring, hvilket følgelig reducerer tilgængeligheden af aminsteder og adsorptionskapaciteter28.

Podede materialer har vist sig at have aminer placeret inde i porekanaler, og CO2 -diffusion kan således let forekomme gennem hele strukturen, hvilket maksimerer fangsteffektiviteten24,25. Sammenligning af podede aminsilicakompositter med hinanden udgør en vanskelighed på grund af variationen i aminindholdet både i det podede materiale og inden for aminosilanen.

Sammenlignelighed mellem undersøgelser inden for "samme materiale(r)" har dog stadig betydelige begrænsninger, såsom variationer i (1) syntese, (2) materialer og (3) måling. For det første, mens mange undersøgelser og oversigtsartikler beskriver fremstillingen af imprægnerede eller podede silicamaterialer, har der tendens til at være varierede protokoller for syntese uden klare retningslinjer for de mest kritiske trin i syntesen. For det andet er der variationer i ydeevne mellem silicasubstrater fra eksterne leverandører og dem, der fremstilles gennem syntetiske ruter, der anvendes under disse protokoller. Med variationer i PEI-molære masser, aminindhold i aminosilaner og podede eller indlæste procentdele udgør der vanskeligheder med at sammenligne målte CO2 -adsorptionskapaciteter mellem disse forskellige materialer. For det tredje kan CO2 adsorptionskapacitet måles ved hjælp af mange forskellige typer kommercielle eller specielt konstruerede måleværktøjer, som alle har forskellige tilknyttede måleusikkerheder. Den samlede CO2 -procent i gaskilden, gasstrømningshastigheden, valg af aktivering, adsorption, desorptionstemperaturer og fugtigheden i gaskilden kan variere mellem individuelle undersøgelser og individuelle instrumenter. Alle sådanne eksperimentelle parametre er vigtige at overveje, når man sammenligner målte adsorptionskapaciteter for individuelle materialer.

Mens denne procedure fokuserer på silicasubstrater, er det overordnede mål om at eliminere kulstofemissioner og reducere atmosfærisk CO2 -koncentration et komplekst, mangesidet problem, der vil kræve materielle innovationer at tackle, konsensus om måleparametre, der skal rapporteres, og en klar indikation af kritiske proceduremæssige trin. Fortsat forskning for at undersøge nye faststøttende adsorbenter med CO2 -adsorbentfunktionalitet bliver derfor stadig vigtigere for at opfylde erklærede klimamål. Denne artikel fremhæver behovet for konsensus i samfundet om relative parametre og demonstrerer behovet for benchmarkmaterialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Alle forfattere afslører ingen konkurrerende interessekonflikter. Den fuldstændige beskrivelse af de procedurer, der anvendes i dette dokument, kræver identifikation af visse kommercielle produkter og deres leverandører. Medtagelsen af sådanne oplysninger bør på ingen måde fortolkes som et tegn på, at sådanne produkter eller leverandører er godkendt af NIST eller anbefales af NIST, eller at de nødvendigvis er de bedste materialer, instrumenter, software eller leverandører til de beskrevne formål.

Acknowledgments

Charlotte M. Wentz vil gerne anerkende finansiering gennem NIST Award # 70NANB8H165. Zois Tsinas vil gerne anerkende finansiering gennem 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

Syntetisk metode forberedelse imprægneret podet aminbaseret silicakompositter kulstofopsamling CO2-emissioner kulstofopsamlingsmaterialer punktkildefangst direkte luftfangst aminfunktionaliserede CO2-adsorbenter CO2-fjernelse regenereringsenergiforbrug adsorptionskapacitet porøst substrat aminarter porevolumener overfladearealer præparationsmetoder imprægnering podning kemisk syntese silicasubstratmateriale justerbar porestørrelse fugttolerance temperatur Stabilitet DAC-applikationer
En syntetisk metode til fremstilling af imprægnerede og podede aminbaserede silicakompositter til kulstofopsamling
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