Экспериментальное и теоретическое исследование влияния различных функциональных групп композитов оксид графена/полимер на селективное улавливание CO2

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 15992 (2022) Цитировать эту статью

2023 Доступов

1 Цитаты

12 Альтметрика

Подробности о метриках

Существует постоянная потребность в универсальных технологиях для снижения постоянно растущей концентрации CO2 в атмосфере, способных обеспечить эффективные решения при различных условиях (температура, давление) и составе дымовых газов. В этой работе была исследована комбинация частиц оксида графена (ГО) и функционализированных водорастворимых полимерных частиц как универсальных и многообещающих кандидатов для применения в области улавливания CO2 с целью разработки легко масштабируемой, недорогой и экологически чистой технологии улавливания CO2. Существуют огромные возможности выбора различных функциональных мономеров для функционализации полимерных частиц и придания CO2-фильности композитным наноструктурам. Теория функционала плотности (ТФП) была использована для более глубокого понимания взаимодействия этих сложных композиционных материалов с молекулами CO2 и N2, а также для создания основы для эффективного скрининга функциональных мономеров. Оценка энергии связи CO2 с набором композитов ГО/полимер, включающих сополимеры метилметакрилата, н-бутилакрилата и различные функциональные мономеры, показывает, что она сильно зависит от функциональных групп полимера. В некоторых случаях кооперативный эффект ГО отсутствует. Это объясняется чрезвычайно сильным связыванием ГО-полимера, которое вызывает менее эффективные взаимодействия CO2-полимера. По сравнению с экспериментальными результатами в тех случаях, когда нанокомпозитные структуры имели схожие текстурные свойства, были достигнуты одинаковые тенденции селективного захвата CO2 над N2. Помимо новых функциональных материалов для улавливания CO2 и более глубокого понимания взаимодействия между молекулами CO2 с различными материалами, это исследование дополнительно показывает, что расчеты DFT могут быть более коротким путем к эффективному выбору лучшей функционализации композитных материалов для селективного улавливания CO2.

Значительное и постоянное увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере превратилось в одну из наиболее фундаментальных и постоянных проблем современности, поскольку запасы ископаемого топлива все еще доступны, а развивающиеся страны находятся в процессе экономического роста. Среди различных парниковых газов углекислый газ (CO2) является ключевым игроком в сценарии глобального потепления1. Несмотря на то, что к 2020 году глобальная мощность улавливания CO2 достигнет 40 миллионов тонн, необходимо улавливать гигатонны CO2 в год, чтобы оказать существенное влияние на изменение климата2. Поскольку технологии «зеленой» энергетики далеки от того, чтобы заменить источники энергии из ископаемого топлива, сокращение выбросов CO2 и, следовательно, снижение глобального потепления, является одной из наиболее сложных экологических проблем в настоящее время. Поэтому разработка эффективных, селективных и недорогих технологий улавливания углерода имеет решающее значение2. В качестве потенциальных решений появились такие стратегии, как химическая/физическая адсорбция3, ферментативная конверсия4 и мембранное разделение5.

Для улавливания CO2 предложены различные адсорбенты6,7,8, а именно пористые полимеры, ионообменные смолы, ковалентные и металлоорганические каркасы, цеолиты, материалы на основе кремнезема и глинозема, оксиды металлов и т.д. они страдают низкой адсорбционной способностью (или для насыщения требуется длительное время), отсутствием хорошей химической/термической стабильности и/или селективности по отношению к другим газам или имеют пониженную активность в присутствии влаги, как, например, адсорбенты на основе цеолита9. , 10.

Адсорбенты на основе углерода возникают как многообещающая альтернатива для преодоления большинства упомянутых недостатков благодаря одной из самых высоких адсорбционных способностей и относительно низким затратам энергии на регенерацию6,7,8. Кроме того, такие особенности, как большая площадь поверхности, стабильность в циклических операциях, пористая структура, которую можно легко функционализировать, и быстрая кинетика адсорбции, делают их одними из наиболее многообещающих адсорбентов. Среди этих материалов из-за более низких затрат на производство графен и его производные рассматриваются для коммерческого использования11. С целью дальнейшего улучшения адсорбционной и разделительной способности широко исследуется функционализация поверхности графена гетероатомами (N, S, O и т. д.), а также производство композитов с такими полимерами, как полипиррол12, полианилин13, полииндол14, политиофен15. , моно-, ди- и триэтилентриамины16, тетраэтиленпентамин17, поли(диаллилдиметиламмоний хлорид)/полистиролсульфонат18, поли(диметилсилоксан)19, полиэфирный блок-амид20, полиэтилен-имин21, а также с металлоорганическими каркасами22.