Ученые из EPFL разработали усовершенствованные графеновые мембраны толщиной в атом с пиридиновым азотом по краям пор, демонстрирующие беспрецедентную эффективность улавливания CO 2 . Это знаменует собой значительный шаг на пути к более эффективным технологиям улавливания углерода.
Поскольку мир борется с изменением климата, потребность в эффективных и экономически выгодных технологиях улавливания углерода становится более острой, чем когда-либо. В этом духе ученые изучают ряд инноваций, направленных на радикальное сокращение промышленных выбросов углерода, что имеет решающее значение для смягчения глобального потепления.
Одним из них является улавливание, использование и хранение углерода (CCUS), важнейшая технология, которая снижает выбросы углекислого газа (CO 2 ) из трудно поддающихся сокращению промышленных источников, таких как электростанции, цементные заводы, сталелитейные заводы и мусоросжигательные заводы. Но нынешние методы улавливания основаны на энергоемких процессах, что делает их дорогостоящими и неустойчивыми.
В настоящее время исследования направлены на разработку мембран, которые смогут избирательно улавливать CO 2 с высокой эффективностью , тем самым снижая энергетические и финансовые затраты, связанные с CCS. Но даже самые современные мембраны, такие как тонкие полимерные пленки, ограничены с точки зрения проницаемости и селективности CO 2 , что ограничивает их масштабируемость.
Таким образом, задача состоит в том, чтобы создать мембраны, которые могут одновременно обеспечивать высокую проницаемость CO 2 и селективность, что имеет решающее значение для эффективного улавливания углерода.
Группа ученых во главе с Кумаром Вароном Агравалом из EPFL совершила прорыв в этой области, разработав мембраны, которые демонстрируют исключительные характеристики улавливания CO 2 за счет включения пиридинового азота по краям графеновых пор.
Мембраны обладают замечательным балансом высокой проницаемости для CO 2 и селективности, что делает их весьма перспективными для различных промышленных применений. Работа опубликована в журнале Nature Energy .
Исследователи начали с синтеза однослойных графеновых пленок с помощью химического осаждения из паровой фазы на медную фольгу. Они ввели поры в графен посредством контролируемого окисления озоном, в результате чего образовались поры, функционализированные атомами кислорода. Затем они разработали метод включения атомов азота на краях пор в форме пиридинового N путем реакции окисленного графена с аммиаком при комнатной температуре.
Исследователи подтвердили успешное внедрение пиридинового азота и образование комплексов CO 2 на краях пор с помощью различных методов, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. Введение пиридинового N значительно улучшило связывание CO 2 порами графена.
Полученные мембраны показали высокий коэффициент разделения CO 2 /N 2 , в среднем равный 53 для газового потока, содержащего 20% CO 2 . Примечательно, что потоки с содержанием CO 2 около 1% достигают коэффициента разделения выше 1000 из-за конкурентного и обратимого связывания CO 2 на краях пор , чему способствует пиридиновый азот.
Ученые также показали, что процесс подготовки мембран масштабируем, позволяя производить высокопроизводительные мембраны в сантиметровом масштабе. Это имеет решающее значение для практического применения, а это означает, что мембраны можно использовать в крупномасштабных промышленных условиях.
Высокая эффективность этих графеновых мембран по улавливанию CO 2 , даже из потоков разбавленного газа, может значительно снизить затраты и энергетические затраты на процессы улавливания углерода . Это нововведение открывает новые возможности в области мембранной науки, потенциально приводя к более устойчивым и экономичным решениям CCUS.
Единый и масштабируемый химический состав, используемый при создании мембран, означает, что их можно будет вскоре масштабировать. В настоящее время команда планирует производить эти мембраны непрерывным процессом с рулона на рулон. Универсальность и эффективность этих мембран могут изменить методы управления выбросами в промышленности и внести вклад в создание более чистой окружающей среды.
