Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Tennessee, Knoxville, ontwikkelen gasmembraanmaterialen om praktische technologische opties uit te breiden voor het verminderen van industriële koolstofemissies.

Resultaten gepubliceerd in Chemo een fabricagemethode voor membraanmaterialen demonstreren die de huidige knelpunten in selectiviteit en permeabiliteit kan overwinnen, belangrijke variabelen die de koolstofopnameprestaties in echte omgevingen stimuleren.

"Vaak is er een afweging in hoe selectief of hoe permeabel je membranen kunt maken die koolstofdioxide uitfilteren zonder andere gassen door te laten. Het ideale scenario is om materialen te maken met een hoge permeabiliteit en selectiviteit, ", zegt Zhenzhen Yang van de afdeling Scheikunde van de UT.

Gasmembranen zijn een veelbelovende, maar nog steeds in ontwikkeling zijnde technologie voor het verminderen van naverbranding of rookgasemissies geproduceerd door fossiele brandstoffen.

Het concept is eenvoudig:een dunne, poreus membraan fungeert als filter voor uitlaatgasmengsels, selectief toestaan ​​van koolstofdioxide, of CO ₂ , om vrij door te stromen in een collector die onder verminderde druk wordt gehouden, maar het voorkomen van zuurstof, stikstof en andere gassen die meegaan.

In tegenstelling tot bestaande chemische methoden om CO . af te vangen ₂ van industriële processen, membranen zijn eenvoudig te installeren en kunnen lange tijd zonder toezicht werken zonder extra stappen of extra energiekosten. De vangst is dat nieuwe, kosteneffectieve materialen zijn nodig om de technologie op te schalen voor commerciële acceptatie.

"Gasmembranen hebben aan de ene kant druk nodig en aan de andere kant meestal een vacuüm om een ​​omgeving met vrije doorstroming te behouden, daarom zijn de selectiviteit en permeabiliteit van materialen zo belangrijk voor de ontwikkeling van de technologie, "Zei Ilja Popovs van ORNL's Chemical Sciences Division. "Onderpresterende materialen hebben meer energie nodig om gassen door het systeem te duwen, dus geavanceerde materialen zijn essentieel om de energiekosten laag te houden."

Geen enkele natuurlijke en slechts enkele synthetische materialen hebben de bovengrens van Robeson overschreden, een bekende grens die beperkt hoe selectief en permeabel de meeste materialen kunnen zijn voordat deze snelheden beginnen te dalen.

Materialen met voldoende hoge selectiviteit en permeabiliteit voor efficiënte gasscheidingen zijn zeldzaam en worden vaak gemaakt van dure uitgangsmaterialen waarvan de productie ofwel een lange en vervelende synthese ofwel kostbare overgangsmetaalkatalysatoren vereist.

"We wilden een hypothese testen dat het introduceren van fluoratomen in membraanmaterialen de koolstofopname en scheidingsprestaties zou kunnen verbeteren, ' zei Yang.

Het element fluor, gebruikt om consumentenproducten zoals teflon en tandpasta te maken, biedt koolstofdioxide-fiele eigenschappen die het aantrekkelijk maken voor toepassingen voor het opvangen van koolstof. Het is ook overal verkrijgbaar, waardoor het een relatief betaalbare optie is voor goedkope fabricagemethoden. Onderzoek naar gefluoreerde gasmembranen is beperkt geweest vanwege de fundamentele uitdagingen van het opnemen van fluor in materialen om de koolstofminnende functionaliteit ervan te realiseren.

"Onze eerste stap was het creëren van een uniek polymeer op basis van fluor met behulp van eenvoudige chemische methoden en in de handel verkrijgbare uitgangsmaterialen, ' zei Yang.

Volgende, onderzoekers getransformeerd, of verkoold, het materiaal gebruikt warmte om het de poreuze structuur en functionaliteit te geven die nodig zijn voor het afvangen van CO ₂ . Het tweestapsproces bewaarde de gefluoreerde groepen en verhoogde de CO ₂ selectiviteit in het uiteindelijke materiaal, het overwinnen van een fundamentele hindernis die men bij andere synthetische methoden tegenkomt.

"The approach resulted in a carbon dioxide-philic material with high surface area and ultra-micropores that is stable in high-temperature operating conditions, " Yang said. "All of these factors make it a promising candidate for carbon-capture and separation membranes."

The material's novel design contributes to its exceptional performance, observed in high selectivity and permeability rates that exceed the Robeson upper limit, something only a handful of materials have accomplished.

"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.

The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.

Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO ₂ , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO ₂ emissions.