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 metodikk for fremstilling av impregnerte og podede aminbaserte silika kompositter for karbonfangst

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 arbeidet tar sikte på å legge til rette for utvikling av standardiserte teknikker for impregnering eller poding av aminerte forbindelser på silikasubstrater, som ofte er bredt beskrevet i litteraturen. Spesifikke mengder løsningsmiddel, substrat, aminer og verdiene til andre viktige eksperimentelle parametere vil bli diskutert i detalj.

Abstract

Nylig har det vært en betydelig innsats for å redusere eller redusere CO2 -utslipp gjennom bruk av karbonfangstmaterialer for punktkilde eller direkte luftfangst (DAC) metoder. Dette arbeidet fokuserer på aminfunksjonaliserteCO2-adsorbenter for DAC. Disse materialene viser løfte om fjerning av CO2 fordi de har lavt energiforbruk for regenerering og høy adsorpsjonskapasitet. Inkorporering av aminarter i et porøst substrat kombinerer fordelene ved aminartens affinitet til CO2 med de store porevolumene og overflatearealene til det porøse substratet. Det er tre metoder som vanligvis brukes til å fremstille aminbaserte CO2 sorbenter, avhengig av valg av aminarter, materialstøtte og fremstillingsmetode. Disse metodene er impregnering, poding eller kjemisk syntese. Silika er et utbredt valg av substratmateriale på grunn av sin justerbare porestørrelse, fuktighetstoleranse, temperaturstabilitet og evne til å adsorbere CO2 i lave konsentrasjoner for DAC-applikasjoner. Typiske syntetiske prosedyrer og primære attributter for både impregnerte og podede amin-silikakompositter er beskrevet her.

Introduction

De menneskeskapte CO 2 -utslippene de siste tiårene har i stor grad blitt implisert som den viktigste faktoren som driver klimagasseffekten og følgelig relaterte klimaendringer 1,2,3,4. Det er to generelle metoder for CO2 -fangst, punktkilde og direkte luftfangst. I mer enn 50 år har våtskrubbing av CO 2 -fangstteknologier blitt brukt til punktkildefangst i industrien for å redusere CO2 -utslipp 5,6. Disse teknologiene er basert på væskefaseaminer som reagerer med CO2 for å danne karbamater under tørre forhold og hydrogenkarbonater i nærvær av vann7,8, se figur 1. Hovedårsaken til at karbonfangst og -lagring utnyttes på store punktkilder (industrielle) er å hindre videre utslipp av store mengder CO 2 , og dermed ha en nøytral effekt på total CO2 -konsentrasjon i atmosfæren. Imidlertid lider karbonfangstsystemer med punktkilde av flere ulemper, for eksempel korrosjon av utstyr, nedbrytning av løsemidler og høye energikrav for regenerering9. Direkte luftfangst (DAC) går utover utslippsreduksjon og kan lette fjerning av CO2 fra atmosfæren. Fjerning av denne eksisterende CO2 -en er nødvendig for å begrense fortsatte klimaendringer. DAC er en fremvoksende metodikk og må løse vanskelighetene med å fjerne lave konsentrasjoner av CO 2 i atmosfæriske forhold (400 til 420 ppm), operere i en rekke forskjellige miljøforhold, og adressere behovet for kostnadseffektive materialer som kan gjenbrukes mange ganger 1,2,3 . Betydelig arbeid er nødvendig for å identifisere materialer som oppfyller disse kravene, noe som vil akselerere adopsjonen av DAC og forbedre den økonomiske gjennomførbarheten. Det viktigste er at det må etableres konsensus i samfunnet om kritiske måleparametere, noe som er avgjørende for at referansematerialer skal kunne utvikles.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk fremstilling av forventet CO2-fangstmekanisme for væskeaminadsorbent. Toppreaksjonen er i tørre forhold, og bunnreaksjonen er i nærvær av fuktighet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I et forsøk på å bøte på disse ulempene har betydelig forskning og utvikling av ny porøs materialteknologi resultert i et bredt spekter av lovende materialer som har potensial til å bli brukt som enten fangstmaterialer eller substrater for DAC. Noen eksempler på slike materialer inkluderer mesoporøse silikaarter 10,11,12,13, zeolitter14,15, aktivert karbon 16,17 og metallorganiske rammer 18. Mange faste støttede aminadsorbenter viser også en høyere toleranse for vann, noe som er en viktig faktor ved fjerning av CO2 gjennom DAC-tilnærminger. For DAC-applikasjoner må forskere vurdere våte / tørre miljøforhold, varme / kalde temperaturer og en samlet fortynnet atmosfærisk CO2 -konsentrasjon. Blant de forskjellige substratmaterialene brukes silika ofte på grunn av sine justerbare porestørrelser, evne til overflatefunksjonalisering og stort overflateareal 1,2,3. Typiske syntetiske prosedyrer og primære trekk ved både impregnerte og podede amin-silikakompositter er beskrevet i dette arbeidet (figur 2). Direkte syntese, der materialet lages in situ med begge komponenter, substrat og amin, er en annen mye brukt metodikk2.

Figure 2
Figur 2: Skjematiske fremstillinger av impregnering. Blanding av PEI og silikasubstrat i metanol gjennom diffusjon (øverst) og podet amin-silikakompositter gjennom kovalent tethering (nederst). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Impregnering er en metode der et amin fysisk adsorberes på en overflate, i dette tilfellet et porøst silikamedium, gjennom van der Waals-krefter og hydrogenbinding mellom amin- og silikaoverflaten19, se figur 2. Løsningsmidler som etanol og metanol brukes ofte til å fremme diffusjonen av molekylene i den porøse strukturen til substratmaterialet. Løsningen kan også oppvarmes for å øke løseligheten av polyaminer med høy molarmasse, og dermed øke homogeniteten av aminpenetrasjon i porene. Når det gjelder impregnerte materialer, bestemmes mengden amin introdusert til et silikasubstrat av den opprinnelige mengden av aminet og overflaten av substratet. Hvis mengden amin introdusert overstiger det tilgjengelige overflatearealet av silikasubstratet, vil aminartene agglomerere på overflaten. Denne agglomerasjonen er lett synlig, da det impregnerte materialet ser ut til å ha et gellignende belegg, ofte gult, i stedet for det forventede hvite og pulveraktige utseendet1. Blant de mange typer aminbaserte faste adsorbenter er polyetylenimin (PEI) og tetraetylenpentamin (TEPA) de mest brukte på grunn av deres høye stabilitet og høye nitrogeninnhold20. For fysisk impregnerte systemer kan den teoretiske lastmengden av amin beregnes ut fra de forhåndsvektede mengdene til substratet og tettheten til aminet. Den åpenbare fordelen med fysisk impregnering ligger i den enkle synteseprosedyren for å forberede den, samt potensialet for et stort amininnhold på grunn av den høye porøsiteten til silikasubstratet. Omvendt er stabiliteten til aminet i silika begrenset fordi det ikke er noen kovalent binding mellom amin og silikastøtte. Derfor, etter flere sykluser med CO2 - opptak og regenerering gjennom varme eller damp, kan aminet lekke ut av porene. Til tross for disse ulempene holder implementeringen av slike materialer for DAC stort løfte om å fjerne CO2 fra atmosfæren.

Et annet alternativ for fremstilling av DAC-materialer er podning. Poding er en metode der aminer immobiliseres på et porøst silikasubstrat gjennom en kjemisk reaksjon, som vist i figur 2. Denne reaksjonen fortsetter ved å reagere en aminosilan med overflatens silanolfunksjonelle gruppe, noe som resulterer i en kovalent binding. Derfor påvirker antall funksjonelle grupper på overflaten av silikasubstratet den podede amintettheten21,22. Sammenlignet med aminimpregnerte adsorbenter har kjemiske podemetoder hatt lavere CO2 adsorpsjonskapasitet, hovedsakelig på grunn av den lave aminbelastningen21. Omvendt har kjemisk podede aminer økt termisk stabilitet på grunn av deres kovalent bundne struktur. Denne stabiliteten kan være nyttig i regenerering av materialet, da adsorbenter (som podet silika) oppvarmes og trykksettes for å fjerne fanget CO2 for gjenbruk for å spare materiale og kostnader. I en typisk synteseprosedyre dispergeres det mesoporøse silikasubstratet i et løsningsmiddel (f.eks. Vannfri toluen), som deretter etterfølges av tilsetning av aminosilaner. Den resulterende prøven vaskes deretter for å fjerne uomsatte aminosilaner. Forbedringer i aminosilantetthet er rapportert å ha blitt oppnådd gjennom vanntilsetning, spesielt med SBA-15, for å utvide porestørrelse23. Prosedyren for poding som vil bli beskrevet her, bruker fuktfølsomme teknikker. Derfor vil ikke ekstra vann bli brukt. Implementering av podede aminosilanmaterialer for DAC er lovende på grunn av deres forventede stabilitet under CO2 adsorpsjons- og desorpsjonsprosesser. Imidlertid inkluderer de største ulempene ved denne metoden de komplekse reaksjonene / fremstillingen av disse materialene, noe som fører til økte kostnader, og deres generelle lave CO2 adsorpsjonskapasitet, noe som betyr at større mengder er nødvendig.

Samlet sett indikerer resultater fra mange tidligere studier at strukturen til substratet og aminrelatert modifikasjon har en betydelig innvirkning på adsorpsjonsytelsen med spesifikke studier som bruker teknikker som transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og kvasi-elastisk nøytronspredning (QENS) for å karakterisere disse materialene fulltut 24,25. Med andre ord bestemmer de strukturelle egenskapene (f.eks. porøsitet og overflateareal) av substratmaterialet aminbelastningen, slik at økning av disse parametrene kan forbedre CO2 -kapasiteten24,25. Fortsatt forskning på optimalisering og design av substratmaterialer og prepareringsprosesser er avgjørende for utviklingen av høyytelsesadsorbenter for DAC. Målet med dette arbeidet er å gi veiledning om impregnering og podet aminsyntese i håp om å legge til rette for bedre åpenhet om syntetiske teknikker. I litteraturen er spesifikke detaljer om mengden løsningsmiddel, substrat og aminer ikke alltid beskrevet, noe som gjør det vanskelig å forstå sammenhengen mellom eksperimentelle belastningsmengder og kvantitative målinger av amin-silikakompositter. De nøyaktige belastningsmengdene og en detaljert beskrivelse av de eksperimentelle prosedyrene vil bli gitt her for bedre å lette denne typen sammenligninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Detaljer relatert til utstyret, instrumenteringen og kjemikaliene som brukes i denne delen, finner du i materialfortegnelsen.

1. Impregnering av silika med polyetylenimin på 800 g/mol molarmasse (PEI 800)

  1. Fremstilling av reaksjon
    1. Bruk vannfri metanol som løsningsmiddel i denne reaksjonen. Den har et lavt kokepunkt; Dermed letter volatiliteten senere fjerning ved lavere temperaturer.
      MERK: Vannfritt løsningsmiddel er viktig fordi vann kan forhindre at PEI 800 kommer inn i porene i silikastøtten. Et annet løsningsmiddel som vanligvis brukes er etanol, som har et høyere kokepunkt og krever lengre tørketider og høyere tørketemperaturer.
    2. Beregn massefraksjonen (%) av amin ved hjelp av ligning 1, hvor mamin = masse av amin, m silika = masse avsilika brukt.
      Ligning 1: Equation 1
    3. Massefraksjon av amin (w-amin) i MCM-41 silika vil være 59,9 % (750 mg amin og 500 mg silika). For hver 1 g amin, bruk 10 ml vannfri metanol. Dette gjøres slik at den totale blandingen er en fortynnet oppslemming. Disse beregnede mengdene vil bli klassifisert som eksperimentelle (w amine_exp) og videre klassifisert for hver syntetisk metode (f.eks. w amine_exp_imp (impregnert) og wamine_exp_graft (podet)).
    4. For å sikre at alt glass er uten fuktighet, plasser dem i en ovn ved 140 °C i minst 1 time før bruk.
  2. Fremstilling av silikastøtte
    MERK: MCM-41 silika er det faste substratet som brukes i denne prosessen. Siden MCM-41 er adsorbentsilika, forventes det å adsorbere vann fra atmosfæren eller under produksjon.
    1. Tørk MCM-41 silika for å sikre at ikke vann har adsorbert inn i porene. Legg ønsket mengde silika i en petriskål i glass, dekk den med punktert aluminiumsfolie, og legg den deretter i en vakuumovn.
    2. Påfør først vakuumet (vanligvis mindre enn 3 kPa, som endres basert på hvert enkelt vakuumsystem), og sett deretter ovnen på en temperatur på ca. 110 °C for å sikre fjerning av vann. Utfør dette trinnet i minst 2 timer før du fortsetter med syntese.
  3. Metodikk for impregnering
    1. Bruk en ren, tørr laboratoriespatel og overfør ønsket mengde (750 mg) polyetylenimin (PEI) til reaksjonsbeholderen (i dette tilfellet et 35 ml tørt hetteglass). Sett lokk på reaksjonsbeholderen når du er i transport.
    2. Overfør reaksjonsbeholderen til en kjemisk avtrekkshette, klem eller fest den i hetten, og plasser den over en røreplate. Fjern lokket på reaksjonsbeholderen.
    3. Plasser en ren, tørr rørestang i reaksjonsbeholderen.
      MERK: Bruk av en rørestang vil sikre jevn blanding, tillate at løsningen omrøres i lengre varighet, legge til rette for bedre spredning og kan muliggjøre sikker oppvarming av reaksjonen uten behov for manuell blanding.
    4. Bruk en pipette til å tilsette 7,5 ml vannfri metanol (bruk 10 ml metanol for hver 1 g amin) fra en gradert sylinder. Slå på røreplaten. La oppløsningen blandes i 15 minutter for å sikre at PEI er fullstendig oppløst og homogent dispergert i oppløsningsvæsken.
      MERK: Etter blanding vil oppløsningen være klar/gjennomsiktig og angi fullstendig polymeroppløsning.
    5. Bruk en ren, tørr laboratoriespatel for å overføre ønsket mengde (500 mg) ferdigtørket silika (i dette tilfellet MCM-41) til veiepapir. Overfør silika til reaksjonsbeholderen inne i avtrekkshetten.
      MERK: Denne eksperimentelle belastningsmengden amin vil samsvare med den faktiske målte mengden ved termogravimetrisk analyse (TGA).
      FORSIKTIG: Å puste inn kiselstøv kan skade lungevevet. Det anbefales å bruke et N95-åndedrettsvern når du arbeider med silikasubstrater (se lokale sikkerhetsretningslinjer for passende valg for et individuelt laboratorium) og arbeid i en kjemisk avtrekkshette. Disse silikamaterialene har ofte "statiske klamringsegenskaper" og spres lett i avtrekkshetten. Utfør dette trinnet raskt for å unngå fuktadsorpsjon på silika fra luften.
    6. Tilsett ekstra metanol for å skylle silika inn i karet for å sikre full eksponering for PEI i løsningen om nødvendig. Blandingen vil vises som en slurry; se figur 3.
    7. Plasser beholderen i et silikonoljebad, en varmeblokk eller en varmemantel ved 40 ° C til 50 ° C for å sikre full oppløselighet av PEI, homogen blanding og for å oppmuntre aminbelastning i den porøse silikaen.
      MERK: Forhøyede temperaturer brukes ikke alltid under impregneringsprosedyrer, og litteratur har vist at andre har blandet seg ved romtemperatur (RT) 1,2,3. I denne protokollen benyttes oppvarming for å lette homogen blanding.
    8. Forsikre deg om at rørestangen blander løsningen jevnt. La løsningen røre under varme i ca. 1 time.
      MERK: Avhengig av reaksjonsstørrelse og individuell preferanse, kan valget av reaksjonsbeholder variere. Derfor kan måten reaksjonen oppvarmes på (oljebad, varmeblokk eller varmemantel) variere for best å imøtekomme valget av reaksjonsbeholderen.
    9. Fjern reaksjonsbeholderen fra varmekilden og la den avkjøles til RT mens den fortsatt rører. Når den er helt avkjølt, må du slutte å røre og fjerne rørestangen.
    10. Sett beholderen som inneholder prøven under vakuum på en Schlenk-linje (vanligvis <3 kPa, reduser trykket sakte for å unngå støt).
    11. La reaksjonsbeholderen forbli på Schlenk-linjen til alt oppløsningsmiddel er synlig fjernet. Deretter overfører du prøven til en annen oppbevaringsbeholder du velger, for eksempel en petriskål i glass.
    12. Sett deretter prøven i en vakuumovn, slå på vakuumet (vanligvis <1,3 kPa), og sett deretter ovnen på ca. 70 °C. La prøven tørke under vakuum i minst 18 timer for å sikre at en tilstrekkelig mengde metanol er fjernet.
      NOTAT: Vurder nivået av løsemiddel før du plasserer den valgte beholderen i en vakuumovn på grunn av risikoen for at prøven og løsningen forlater beholderen uberegnelig på grunn av vakuumet. Vanligvis er det ikke mer enn 1 ml løsemiddel igjen i prøven/beholderen før den plasseres i vakuumovnen.
    13. Etter tørking virker materialene hvite og pulverformige. Oppbevar den i et fuktfritt, luftfritt miljø til det er nødvendig for videre bruk.
      MERK: Dette trinnet kan være i en vakuumtørker eller hanskerom som er forberedt med et luft- og fuktighetsfritt miljø. Se figur 4 for forventet sluttproduktutseende.

Figure 3
Figur 3: Representative bilder av reaksjoner. (A) Fotografi av PEI-silikaoppslemming (i metanol) under PEI-impregnering før overføring til varmeblokk og (B) apparat for poding av DAS etter oppvarming i 6 timer er fullført. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Representativt utseende av sluttprodukter etter tørking. (A) PEI-impregnering ved wamine_exp_imp = 59,9 %. (B) podet DAS ved wamine_exp_das = 90,0 %. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

2. Fremstilling av våtpodet silika med N'-(3-trimetylsilylpropyl) dietylenamin (DAS)

  1. Fremstilling av oppløsning
    1. Bruk vannfri toluen i denne reaksjonen. Den har et høyt kokepunkt (110 °C), noe som muliggjør blanding ved høy temperatur. Aminosilan (N'-(3-trimetylsilylpropyl) dietylenamin (DAS) er meget løselig i dette mediet.
      MERK: Å utføre denne reaksjonen i vannfrie forhold er viktig fordi vann kan interagere med aminosilaner for å endre arten av bindingen til silikaoverflaten. Det vannfrie toluenet som brukes kommer med et septumkappet lokk. Derfor vil en gasstett sprøyte bli brukt til å overføre løsningsmiddel til reaksjonsbeholderen. For hver 1 g DAS brukes 5 ml toluen. For 5 ml DAS (1,028 g/ml) brukes derfor 25 ml oppløsningsmiddel.
  2. Fremstilling av silikastøtte
    1. Tørk silika ved hjelp av fremgangsmåten beskrevet ovenfor i trinn 1.2.
  3. Fremstilling av siloksan
    1. Aminosilanen er fuktfølsom, da tilstedeværelsen av vann kan føre til at polymerisering oppstår. Dermed håndterer reaksjonen som en fuktighetsfri reaksjon. Oppbevar DAS i en flaske med septumlokk, og bruk en gasstett sprøyte for overføring.
      FORSIKTIG: Det er mange helserisikoer og farer forbundet med aminosilaner. Se gjennom sikkerhetsdatabladet før du begynner eksperimentet, og følg alle anbefalte sikkerhetstiltak.
  4. Podet silikametodikk
    1. Det er viktig å merke seg at, i motsetning til impregneringsmetodikken, forventes aminosilaner å ha lavt podende nitrogeninnhold på silikasubstratet. I denne reaksjonen er derfor belastning wamine_exp_graft = 90,0 % av DAS eksperimentelt for å øke sannsynligheten for at aminosilan lokaliserer silanolgrupper på silikastøtten og kovalent binder seg vellykket.
    2. Tørk alt glass i ovnen i minst 2 timer før bruk for å sikre en fuktfri overflate.
    3. Fyll en Schlenk-kolbe med rundbunn utstyrt med en magnetisk rørestang med ønsket mengde (500 mg) silikastøtte (MCM-41).
    4. Sett en gummiseptum inn i reaksjonsbeholderen og sykle reaksjonsbeholderen på en Schlenk-linje tre ganger for å fjerne luft og fuktighet. Gjør dette ved å åpne reaksjonsbeholderens stoppekran for å støvsuge i ca. 30 s, lukke stoppekranen, bytte til en inert gass (enten N 2 eller Ar2) i ca. 30 s, og deretter åpne stoppekranen igjen. Etter at reaksjonsbeholderen har blitt syklet, oppretthold et inert gassmiljø for følgende prosedyretrinn.
    5. Sett inn en linje med inert gass i flasken med septumkappet lokk (sikker forsegling), bruk deretter den gasstette sprøyten og rens sprøyten med inert gass før du fjerner ønsket mengde vannfri toluen (i dette tilfellet 25 ml).
      MERK: Se figur 5 for et bilde av beholderen med sikker forsegling med et inert gassinntak og en gasstett sprøyte. Bøyningen (blå pil) plasseres i røret før overføring for å forhindre drypp. Denne teknikken brukes når som helst gasstett sprøyting av en væske er nødvendig. Mengden løsningsmiddel dikteres av mengden aminosilan tilsatt. For hver 1 ml aminosilan, bruk 5 ml vannfri toluen for å sikre løselighet. Det er viktig å fylle sprøyten med 25 ml toluen og deretter løfte nålen over oppløsningsnivået i flasken. Trekk deretter litt inert gass fra hoderommet over toluenet før sprøyten fjernes fra toluenbeholderen.
    6. Forsikre deg om at den magnetiske rørestangen inne i reaksjonsbeholderen rører jevnt før du begynner dette trinnet. Overfør det vannfrie toluenet inneholdt i den gasstette sprøyten ved å punktere septum på reaksjonsbeholderen og slippe toluen inn i karet.
    7. Fjern nålen med inert gass.
    8. Gjenta de samme trinnene (2.4.6 til 2.4.8) med aminosilanen (4,8 ml DAS).
    9. Bruk en adapter til å feste en linje fra Schlenk-ledningen til en vannkondensator ved hjelp av vakuumfett. Pakk bunnen av kondensatorapparatet med polytetrafluoretylen (PTFE) tape (dette trinnet sikrer ingen forurensning av fett). Fest deretter kondensatorapparatet til Schlenk-kolben med rundbunn for å forberede glassoppsettet; se figur 3.
    10. Fest "kalde" vannledninger til vannkondensatoren og slå den på.
      MERK: Det "kalde" vannet (under 23 °C) vil bevege seg inn i bunnen av kondensatoren og ut toppen i en vask. Rørene vil bli sikret (med ledninger, glidelåser eller stålslangeklemmer) for å unngå lekkasje av vann på tilkoblingsstedene.
    11. Senk reaksjonsbeholderen ned i et silikonoljebad eller varmeblokk, eller plasser den i en varmemantel mellom 80 °C og 100 °C. Denne temperaturen er valgt for å lette podingen av aminosilan (DAS), homogen blanding og oppmuntre aminbelastning.
    12. Lukk stoppekranen til den inerte gassen på den runde bunnen Schlenk-kolben og la stoppekranen på kondensatoren være åpen; se figur 3B.
      MERK: Dette trinnet utføres for å forhindre at toluen stiger inn i røret som ligger nær apparatet (Schlenk kolbe sidearm) mens reaksjonen holdes under en inert atmosfære på grunn av innløpet på toppen av kondensatoren; se figur 3 for dette oppsettet.
    13. Forsikre deg om at rørestangen blander løsningen jevnt. Rør under oppvarming i 6 timer.
    14. La reaksjonsbeholderen avkjøles til RT. Bruk vakuumfiltrering for å fange opp den faste podede aminsilika på filterpapiret og skyll med rikelige mengder vannfri toluen (3 ganger med 10 ml).
    15. For å vakuumfiltere, utstyr en Erlenmeyer filkolbe med arm for å støvsuge via en slange. Plasser en gummistropp ved åpningen, plasser Buchner-trakten på toppen av gummistrikken, og legg til slutt et filterpapir i Buchner-trakten. Våt filterpapiret med vannfri toluen.
    16. Slå på vakuumet og dispenser oppløsningen raskt på filterpapiret. Det bidrar til å skylle reaksjonsbeholderen med det vannfrie toluenet før det helles på filterpapiret under vask.
    17. Det endelige materialet vises hvitt på filterpapiret. Fjern det podede silanmaterialet fra filterpapiret ved hjelp av en ren, tørr laboratoriespatel og legg den i et hetteglass.
    18. Dekk hetteglasset med punktert aluminiumsfolie og sett det i en vakuumovn. Slå på vakuumet. Sett ovnen på ca. 100 °C og la den tørke i ca. 18 timer for å fjerne overflødig toluen.
      MERK: Materialene er hvite og pulveraktige etter tørking og lagres i et fuktfritt, luftfritt miljø. Dette kan være i en vakuumtørker eller hanskerom som er forberedt med et luft- og fuktfritt miljø. Se figur 4 for sluttproduktets utseende.
    19. Denne prosedyren gjentas to ganger til (totalt 3 ganger, trinn 2.4.1 - 2.4.16).

Figure 5
Figur 5: Fotografier av en beholder med sikker forsegling. (A) Beholder med en kanyle koblet til en inert gass (N 2 eller Ar2) og (B) med tilkoblet inert gass og gasstett sprøyte festet, med "bøyd" nål (blå pil), som vil bli brukt til å overføre uten lekkasje. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

3. Analyse av silikakomposittmaterialer ved TGA

MERK: Standard usikkerhet knyttet til denne målingen er ca. ± 0,01 % i masse og ± 1 °C i temperatur.

  1. Ved hjelp av instrumentets applikasjonsprogramvare for TGA, tare en tom panne.
  2. Fjern den tjærede pannen fra prøvelastingsområdet og legg prøven i pannen. Plasser prøven i midten av pannen og bruk minst 2 mg for å sikre tilstrekkelig oppløsning av massetap. Plasser pannen med prøven tilbake i lasteområdet.
  3. Bruk instrumentprogramvaren til å tilpasse en prosedyrekjøring som først balanseres ved ca. 50 °C i 5 minutter i et miljø på 100 % N2 med en gasstrømningshastighet på 60 ml/min. Sett deretter en rampe på 2 °C/min til 5 °C/min til 1000 °C. Merk slutten av syklusen. Disse målingene betegnes som wamine_TGA da de evaluerer det reelle amininnholdet i materialet ved hjelp av TGA. Dette klassifiseres videre for hver syntetisk metode (f.eks. w amine_TGA_imp (impregnert metode) og wamine_TGA_graft (podet metode)).
    MERK: Spesifikke anbefalinger for strømningshastigheter kan variere for individuelle TGA-er. Se produsentens spesifikasjoner før du velger riktig flythastighet for et enkelt eksperiment.
  4. Gjenta trinn 3.1–3.3 for eventuelle andre eksperimentelle kjøringer.
  5. Bruk trinn 3.1 for oppsettet av CO 2-adsorpsjonseksperiment.
  6. Ved hjelp av instrumentprogramvaren kan du tilpasse en prosedyrekjøring som først balanseres ved 100 °C i 5 minutter, deretter ramper ved 20 °C/min til 40 °C. Påfør deretter en isotermisk hold ved 40 °C i 10 minutter før du introduserer en blandet gass på 5 % CO 2 i N2, 60 ml / min strømningshastighet.
  7. Oppbevar prøven ved 40 °C under denne gassblandingens tilstand i 100 minutter. Denne prosedyren utføres for å måle CO2 adsorpsjon ved vektøkning. Disse målingene betegnes som wCO2 da de evaluerer CO2 -adsorpsjonen i materialet. Dette klassifiseres videre for hver syntetisk metode (f.eks. w CO2_imp (impregnert metode) og wCO2_graft (podet metode)).
  8. For syklusstudier, ved hjelp av instrumentprogramvaren, tilpass en prosedyrekjøring som først åpnes til 100 % N2 gass, isotermisk hold i 5 minutter, før ramping ved 20 ° C / min til 105 ° C, og isoterm hold i 5 minutter.
  9. Deretter trappes det ned ved 10 °C/min til 40 °C, og isotermen holder i 1 min før en blanding av 5 % CO 2 i N2 frigjøres, og isotermen holder i 35 min. Gjenta prosedyretrinnene 10 ganger.
  10. I programvaren legger du til denne kjøringen så mange ganger som ønsket for å legge til ekstra syklustrinn. Pass på at du ikke endrer pannenummeret og fjerner vektstabiliseringstrinnet for de vedlagte løpene etter første kjøring. Dette lar brukeren plassere flere 10-sykluskjøringer sammen i en metode.

4. Analyse av silika-komposittmaterialer ved Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) ved bruk av et svekket total refleksjon (ATR) tilbehør

MERK: Standard usikkerheter knyttet til dette instrumentet er ± 1 % i toppintensitet og ± 4 cm−1 i bølgetall, derfor er usikkerheten i intensitet i den rapporterte kurven ± 1,4 % ved bruk av lineær utbredelse av usikkerheter.

  1. Rengjør vinduet (diamanten) på FTIR-ATR-tilbehøret med våtserviett med lite lo og metanol.
  2. Samle et bakgrunnsspektrum ved hjelp av det grunnleggende målevinduet til programvaren.
  3. Bruk en ren og tørr slikkepott til å plassere prøven over FTIR-ATR-vinduet. Bruk ATR-kompresjonssonden til å skyve prøven i kontakt med vinduet.
  4. Samle inn et prøvespekter ved å trykke på Samle inn prøve-knappen i det grunnleggende målevinduet, og last inn den tilknyttede bakgrunnen fra filen som ble oppnådd i trinn 4.2.
  5. Gjenta trinn 4.1 til 4.4 for alle prøver.

5. Analyse av kiselkomposittmaterialer før og etter impregnering og poding av aminer ved skanning elektronmikroskopi (SEM)

  1. Monter prøver i pulverform på aluminiumstubber ved å spre dem forsiktig på karbonledende dobbeltsidig tape. Et stereomikroskop hjelper til med denne prosedyren ved å øke synligheten av prøvespredningen.
  2. Sputter belegg hver prøve med et 5 nm gull-palladium (Au-Pd) ledende belegg for optimale bildeforhold.
  3. Avbilde overflatemorfologien til substratets silikamateriale før og etter impregnering eller poding på en dobbeltstråle, feltutslipp SEM under høyt vakuum (dvs. mindre enn 0,4 mPa, 3 x 10-6 torr).
    MERK: De valgte stråleenergiparametrene (1 keV) og sondestrømmen (6,3 pA og 25 pA) ble optimalisert for klare bilder med minimal lading, artefakter og drift.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

TGA brukes ofte til å kvantifisere mengden amin lastet eller podet til silikaoverflaten for disse materialene. De oppnådde TGA-kurvene viser et tap av gjenværende løsningsmiddel og vann mellom 60 °C og 100 °C, som er vist i derivatvektkurven (vekt% / ° C) som den første toppen, og et tap av amin, som er vist i den deriverte vektkurven (vekt% / ° C) som den andre toppen. For PEI-impregnert silika forventes dette tapet av amin å være rundt 200 °C til 300 °C, som fremstår som den andre toppen i derivatvektkurven, og for DAS-podet silika forventes tapet av amin å være rundt 350 °C til 550 °C (figur 6). Det totale vekttapet er en indikasjon på mengden amin lastet eller podet på silikasubstratet og er en viktig karakteriseringsparameter for å bedømme syntesens kvalitet. For PEI-impregnerte prøver er w amin ved TGA (w amine_TGA_imp) = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3) i motsetning 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 motsetning til wamine_exp_graft = 90,0 % når syntesen gjentas tre ganger (figur 6A).

Figure 6
Figur 6: TGA. (A) PEI impregnert ved w amine_exp_imp = 59,9 % observert, w amine_TGA_imp = 59,2 % ± 0,3 % (n = 3), og (B) Podet materiale ved w amine_exp = 90,0 % observert, wamine_TGA = 22,3 % ± 0,2 % (n = 3). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I figur 7 ble total CO 2 -adsorpsjon målt med TGA ved 5 % CO 2 i N2, en strømningshastighet på 60 ml / min, og holdt ved 40 ° C i 60 minutter. I figur 7A er CO 2 adsorpsjonskurver vist for PEI-impregnerte prøver med en gjennomsnittlig CO 2 vektprosent adsorpsjon (wCO2_imp) på 6,16 % ± 0,2 % (n = 3). I figur 7B er CO 2 adsorpsjonskurver vist for DAS-podede prøver med wCO2_graft =2,03 % ± 0,04 % (n = 3). Innenfor disse TGA-kurvene korrigeres grunnlinjen slik at den begynner ved 100 %.

Figure 7
Figur 7: TGA-kurver for adsorpsjon av CO2. (A) Impregnert 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). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

FTIR-ATR-spektroskopi er en type vibrasjonsspektroskopi som vanligvis brukes til å forstå den kjemiske strukturen til et materiale. Figur 8 viser FTIR-ATR-spektra av pene PEI-, DAS og MCM-41-materialer sammenlignet med PEI-impregnerte eller DAS-podede MCM-41-materialer. Distinkte topper fra 2500 cm-1 til 3600 cm-1 tilskrives de aminbaserte N-H-signalene som forventes fra de aminerte materialene. Ved sammenligning av spektrene til de impregnerte og podede materialene, observeres en reduksjon i toppintensitet, som tilskrives en lavere mengde amin i det podede materialet. Sterke topper tilsvarende Si-O-Si-området fra 400 cm-1 til 1200 cm-1 kan ses i spektrene. Spektrene som presenteres korrigert for dempet total refleksjon og deretter automatisk baseline korrigert gjennom instrumentets programvare.

Figure 8
Figur 8: FTIR-spektra. Representative FTIR-spektra for pent PEI, MCM-41, DAS, DAS podet prøve og PEI-impregnert materiale. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I figur 9 sammenlignes SEM-mikrografer av uendret MCM-41 med MCM-41 impregnert med PEI ved w amine_TGA_imp = 59,2 % og MCM-41 podet med DAS ved wamine_TGA_graft = 22,3 % for morfologiske forskjeller og overflateforskjeller.

Figure 9
Figur 9: SEM-bilder . (A) PEI impregnert MCM-41, (B) pen MCM-41, og (C) DAS podet MCM-41. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I figur 10 og figur 11 måles pene startmaterialer som MCM-41, DAS og PEI 800 ved hjelp av TGA for baseline referanse av vekttap og CO2 adsorpsjon. I figur 10A kan pene MCM-41 TGA-kurver sees som et langsomt, gradvis vekttap, men uten klare topper i derivatvekten (vekt %/°C). I figur 10B kan man se pene PEI 800 TGA-kurver med et totalt vekttap fra 200 °C til 370 °C.

Figure 10
Figur 10: TGA-kurver. (A) Ryddig MCM-41 wMCM41 = 8,58 % ± 0,5 % (n = 3 ). (B) PEI 800 molekylvekt wPEI = 98,9 % ± 0,9 % (n = 3). .Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11: TGA-kurver. (A) Adsorbsjon av CO 2 av pen MCM-41 wCO2 = 0,223 % ±0,2 % (n = 3). (B) Adsorpsjon av CO2 av pen PEI 800 wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). (C) Adsorpsjon av CO2 av pen DAS wCO2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I figur 11A er CO 2 adsorpsjonskurve vist for pen MCM-41 med minimal CO 2 adsorpsjon wCO2 = 0,222 % ±0,2 % (n = 3). I figur 11B er pen PEI 800s CO 2 adsorpsjonskurve vist med minimal CO2 adsorpsjon wCO2 = 0,879 % ± 0,3 % (n = 3). I figur 11C er det vist en CO 2 adsorpsjonskurve for pene DAS med minimal CO2 -adsorpsjon wCO2 = 0,247 % ± 0,1 % (n = 3). Merk at adsorpsjonen for de pene materialene er lav fordi CO2 -adsorpsjonen bare forekommer på overflaten som er utsatt for blandet gassmiljø. DAS er spesielt luft- og fuktfølsom og utsettes for luft under lasteprosessen i TGA, noe som kan påvirke dens evne til å adsorbere CO2.

I figur 12 er CO2 adsorpsjons- og desorpsjonssykluskurver vist for impregnert MCM-41 (figur 12A) og podet MCM-41 (figur 12B). Innenfor denne protokollen aktiveres prøven først ved oppvarming til 105 °C under 100 % N 2 i 5 minutter, deretter trappes ned til 40 °C og holdes i 1 min før en blanding av 5 % CO 2 i N2 administreres i 35 minutter. Denne prosedyren gjentas deretter (figur 12C). Figuren viser ti repetisjonssykluser med avtagende adsorpsjonsegenskaper av materialet etter hvert som tiden går. Data kan nås gjennom Management of Institutional Data Assets (MIDAS) på https://doi.org/10.18434/mds2-3017.

Figure 12
Figur 12: Syklisk TGA-adsorpsjons- og desorpsjonsstudie. (A) PEI impregnert MCM-41, (B) DAS podet MCM-41, og (C) temperaturprofil for prosedyreløpene for (A) og (B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Metodene beskrevet her er ment å gi en protokoll for fremstilling av impregnerte og podede amin silika-komposittadsorbenter. Prosedyrene vi har dokumentert er basert på gjennomgang av teknikker rapportert i litteraturen og de som er raffinert i vårt laboratorium. 1,2,3. Fremstilling av disse materialene er nyttig innen forskning på karbondioksidfjerning for å utvikle eller benchmarke andre materialer som kan brukes til å redusere CO2 -utslipp enten i atmosfæren (direkte luftfangst) eller i industrielle prosesser (punktkildefangst). Blant faste aminadsorbenter brukes mesoporøs silika ofte. Silikasubstrater har en tendens til å ha enkle synteser eller kan kjøpes kommersielt, med strukturelle egenskaper som gjør dem til et godt valg for impregnering eller podning av aminbaserte faste adsorbenter21. Innenfor denne prosedyren brukes MCM-41 som silikasubstrat på grunn av det store overflatearealet og den smale porestørrelsesfordelingen mellom 35 Å og 38 Å. Imidlertid er en annen ofte studert silikastøtte SBA-15, som også brukes i karbonfangstforskning på grunn av sitt store overflateareal, porevolum og ensartet mesoporestørrelse24. Systematiske studier ved bruk av MCM-41 og PEI via impregnering har vist en økning i CO2 adsorpsjon med en økning i PEI belastningsmengde26. Tidligere resultater som beskriver vekttapet for impregnerte MCM-41 silikakompositter er gitt av Xu og medarbeidere26, og for podede silikakompositter av Sousa og medarbeidere27, som eksperimenterte med H 2 S og H 2 Oeffekt på CO2 -fangst. Xu og medarbeidere26 fant at deres MCM-41 ved 50 % (vekt%) belastning av PEI har en adsorpsjonskapasitet på 112 mg CO2 / g-adsorbent. Vekttap TGA av disse impregnerte materialene er også presentert i manuskriptet. Til sammenligning har MCM-41 59,9 % (vekt%) impregnert PEI i dette manuskriptet en kapasitet på 61,6 mg CO2 / g-adsorbent. Selv om dette ser ut til å være mye mindre enn den rapporterte mengden, må du vurdere at måleparametrene er forskjellige - Xu og medarbeidere oppvarmet prøven til 75 ° C, hadde en 99,8% blanding av CO 2 i N2 og en 100 ml / min strømningshastighet i 150 minutter. Den økte temperaturen og nesten 100 % CO 2 -eksperimentelle forhold bidro sannsynligvis begge til adsorpsjonen av CO2. Dette synliggjør utfordringene ved å sammenligne studier der eksperimentelle prosedyrer er ulike.

Selv for en tilsynelatende enkel metode som impregnering, varierer valg av løsningsmiddel, silika/løsningsmiddelkonsentrasjon, amin/løsningsmiddelkonsentrasjon, omrørings-/blandingsmetode, temperatur og blandetid sterkt i litteraturen. Denne artikkelen er ment å beskrive en metode for å lage disse materialene, men hver enkelt forsker kan gjøre valg som passer for deres egne forskningsmål. I tillegg kan disse metodene tilpasses andre adsorbentsubstrater for karbonfangst. Det er vår hensikt å bidra til å legge til rette for forskning på materialer for fjerning av karbondioksid ved å gi et utgangspunkt for slikt arbeid med denne metoden.

Mange studier har formidlet at plasseringen av aminene i strukturen til en silikakompositt kan endres for impregnerte versus podede aminer. Impregnerte materialer lastet med PEI har høyere grad av funksjonalisering (dvs. amininnhold) på overflaten, noe som kan forhindre CO 2 diffusjon i porene 1,2,3,24. Poreblokkering har vært knyttet til kaldere reaksjonstemperaturforhold, høyere aminbelastning og sterisk hindring, noe som følgelig reduserer tilgjengeligheten til aminsteder og adsorpsjonsmuligheter28.

Podede materialer har vist seg å ha aminer plassert inne i porekanaler, og dermed kan CO2 -diffusjon lett forekomme gjennom hele strukturen, noe som maksimerer fangsteffektiviteten24,25. Sammenligning av podet amin silika-kompositter til hverandre utgjør en vanskelighet på grunn av variasjonen i amininnhold både i det podede materialet og i aminosilanen.

Imidlertid har sammenlignbarhet mellom studier innenfor "samme materiale (er)" fortsatt betydelige begrensninger, for eksempel variasjoner i (1) syntese, (2) materialer og (3) måling. For det første, mens mange studier og oversiktsartikler beskriver fremstillingen av impregnerte eller podede silikamaterialer, har det en tendens til å være varierte protokoller for syntese uten klare retningslinjer for de mest kritiske trinnene i syntesen. For det andre er det variasjoner i ytelse mellom silikasubstrater hentet fra eksterne leverandører og de som fremstilles gjennom syntetiske ruter som brukes under disse protokollene. Med variasjoner i PEI-molare masser, amininnhold i aminosilaner og podede eller belastede prosentandeler, utgjør det vanskeligheter med å sammenligne målt CO2 adsorpsjonskapasitet mellom disse varierte materialene. For det tredje kan CO2 adsorpsjonskapasitet måles ved hjelp av mange forskjellige typer kommersielle eller spesialkonstruerte måleverktøy, som alle har forskjellige tilknyttede måleusikkerheter. Den totale prosentandelen av CO2 i gasskilden, strømningshastigheten av gass, valg av aktivering, adsorpsjon, desorpsjonstemperaturer og fuktigheten i gasskilden kan variere mellom individuelle studier og individuelle instrumenter. Alle slike eksperimentelle parametere er viktige å vurdere når man sammenligner målt adsorpsjonskapasitet for individuelle materialer.

Mens denne prosedyren fokuserer på silikasubstrater, er det overordnede målet om å eliminere karbonutslipp og redusere atmosfærisk CO2 -konsentrasjon et komplekst, mangesidig problem som vil kreve materielle innovasjoner å takle, konsensus om måleparametere som skal rapporteres, og en klar indikasjon på kritiske prosedyretrinn. Fortsatt forskning for å undersøke nye faststoffstøtteadsorbenter med CO 2-adsorbentfunksjonalitet blir derfor stadig viktigere for å nå uttalte klimamål. Denne artikkelen fremhever behovet for en fellesskapskonsensus om relative parametere og demonstrerer behovet for referansematerialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Alle forfatterne oppgir ingen konkurrerende interessekonflikter. Den fullstendige beskrivelsen av prosedyrene som brukes i dette papiret krever identifisering av visse kommersielle produkter og deres leverandører. Inkluderingen av slik informasjon skal på ingen måte tolkes som en indikasjon på at slike produkter eller leverandører er godkjent av NIST, eller er anbefalt av NIST, eller at de nødvendigvis er de beste materialene, instrumentene, programvaren eller leverandørene for de formålene som er beskrevet.

Acknowledgments

Charlotte M. Wentz ønsker å anerkjenne finansiering gjennom NIST Award # 70NANB8H165. Zois Tsinas ønsker å anerkjenne finansiering gjennom 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 metodikk forbereder impregnert podet aminbasert silikakompositter karbonfangst CO2-utslipp karbonfangstmaterialer punktkildefangst direkte luftfangst aminfunksjonaliserte CO2-adsorbenter CO2-fjerning regenereringsenergiforbruk adsorpsjonskapasitet porøst substrat aminarter porevolumer overflatearealer prepareringsmetoder impregnering poding kjemisk syntese silikasubstratmateriale justerbar porestørrelse fuktighetstoleranse temperatur Stabilitet DAC-applikasjoner
En syntetisk metodikk for fremstilling av impregnerte og podede aminbaserte silika kompositter for karbonfangst
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