De opwarming van de aarde wordt toegeschreven aan de sterke toename van de uitstoot van broeikasgassen, met name CO₂ uitstoot. Technologie voor het afvangen van koolstof, zoals het gebruik van adsorbentia om CO₂ af te vangen en op te slaan uit de omgevingslucht, is een veelbelovende oplossing om de uitstoot te verminderen.

Vloeibare sorptiemiddelen worden traditioneel gebruikt voor het afvangen van koolstof, maar ze lijden onder corrosie van apparatuur, hoge kosten en hoge energievereisten voor regeneratie. Om deze beperkingen te overwinnen, zijn vaste poreuze materialen voor CO₂ gebruikt adsorptie – waarbij CO₂ atomen die zich hechten aan het oppervlak van het vaste materiaal worden onderzocht.

In zijn onderzoek naar koolstofafvang heeft universitair hoofddocent Wu Ping van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) zich tot mica gewend, een goedkoop en overvloedig aanwezig kleimineraal met diverse toepassingen.

Mica vormt plaatachtige lagen van aluminiumoxidesilicaat die zijn verbonden door kaliumkationen tussen de lagen via ionische bindingen. De complexe structuur maakt het echter een uitdaging om mica in enkele of enkele lagen te scheiden om tweedimensionale (2D) nanosheets te vormen die bevorderlijk zijn voor CO₂ vastlegging. Methoden ontwikkeld door eerdere studies vereisten ook lange reactietijden en een hoog energieverbruik.

Om een ​​efficiënte methode te ontwikkelen om 2D-mica-nanosheets te produceren, hebben Assoc Prof. Wu en zijn SUTD-team samengewerkt met onderzoekers van het Agency for Science, Technology and Research (A*STAR). Ze publiceerden hun onderzoekspaper "Efficiënte synthese van 2D mica nanosheets door solvothermische en microgolfondersteunde technieken voor CO₂ toepassingen vastleggen" in Materialen.

"Voortbouwend op onze recente doorbraken in de mechanochemie hebben we op innovatieve wijze de technieken van microgolfchemie en solvothermische mechanochemie gecombineerd. Door de energie van microgolven en solvothermische processen te benutten, konden we deze energie omzetten in spanningsenergie binnen grensvlakken tussen vast en vloeibaar gas, het vergemakkelijken van de synthese van geëxfolieerde mica (eMica) nanosheets. Deze acties resulteren in een snelle exfoliatie en een aanzienlijk kortere reactietijd”, legt Assoc Prof. Wu uit.

Het onderzoeksteam combineerde natuurlijk mica met kaliumhydroxide in een polair oplosmiddel in een gesloten reactievat. Deze reactie werd vervolgens in een magnetron verwarmd, waarbij energie werd overgedragen naar het microgolfabsorberende polaire oplosmiddel en de reactanten. In combinatie met de zelf gegenereerde druk in het vat werd de mica snel geëxfolieerd met een aanzienlijk kortere reactietijd. Het met microgolven behandelde mica werd vervolgens gesoniceerd om de lagen verder uit te zetten en te scheiden. Na verschillende zuiveringsrondes had het team eMica-nanosheets gesynthetiseerd.

Vergeleken met bulk-mica zijn lagen van eMica-nanosheets uniformer qua laterale grootte en dikte. Bovendien vertonen eMica-nanosheets een geordende atomaire rangschikking, wat hun hoge kwaliteit en minimale defecten aangeeft.

Universitair hoofddocent Wu en team onderzochten vervolgens het potentieel van de nanosheets voor CO₂ toepassingen vastleggen. Ze ontdekten dat de CO₂ De adsorptiecapaciteit van eMica-nanosheets was 87% hoger dan die van bulk-mica. Hoewel andere soorten adsorptiematerialen in de literatuur een hogere capaciteit hebben aangetoond, overtreffen eMica-nanosheets nog steeds andere kleimineralen die zijn aangepast voor koolstofafvang.

De superieure CO₂ adsorptiecapaciteit van eMica-nanosheets kan worden toegeschreven aan een hoog specifiek oppervlak en porositeit tussen de geëxpandeerde lagen. Het specifieke oppervlak van dit 2D-materiaal was ruim vijf keer zo groot geworden, van 29,1 m ² /g in bulk mica tot 171,3 m ² /g in de nanosheets. De porositeit van de nanosheets was ook dramatisch hoger, waarbij het porievolume zevenvoudig toenam, van 0,145cc/g in bulk mica tot 1,022cc/g in eMica nanosheets.

CO₂ De adsorptie zou ook kunnen zijn versterkt door afzettingen van kaliumcarbonaat (K₂ CO₃ ) op de nanosheets, die worden gevormd wanneer kaliumkationen in mica reageren met water en CO₂ in de lucht. Het team ondersteunde deze hypothese met computersimulaties die een K₂ aantoonden CO₃ gedeponeerde mica-monolaag presteert beter dan zowel bulk-mica als een mica-monolaag in CO₂ adsorptie_.

Mechanisch gezien CO₂ wordt opgevangen door eMica-nanosheets, voornamelijk door fysieke adsorptie, waardoor zwakkere elektrostatische aantrekkingen met het oppervlak worden gevormd. Dit staat in contrast met de sterkere ionische bindingen die ontstaan ​​bij CO₂ wordt chemisch geabsorbeerd op het oppervlak van de nanosheet, wat in kleinere mate voorkomt. Dit overheersende mechanisme van fysisorptie zou gemakkelijker CO₂ mogelijk maken desorptie en de regeneratie van de eMica-nanosheets.

Het onderzoeksteam ontdekte dat de nanosheets een sterke adsorptiecapaciteit konden behouden wanneer ze werden onderworpen aan cyclische adsorptie/desorptietests, wat de herstelbaarheid en stabiliteit van de eMica-nanosheets aantoont. Assoc Prof Wu gelooft dat dit onderzoek van belang zal zijn voor de energieopwekkingssector, milieu- en regelgevende instanties en andere onderzoekers die nieuwe materialen en technologieën voor CO₂ nastreven. vastlegging. Daarnaast draagt ​​zijn onderzoek bij aan de duurzaamheidsplannen van SUTD.

"CO₂ Afvang is een belangrijk aspect van het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, een belangrijk aandachtsgebied voor de duurzaamheidsstrategie van SUTD. Ons werk aan de ontwikkeling van een efficiënte synthesemethode sluit aan bij de nadruk die de universiteit legt op duurzame bedrijfsvoering en duurzaam onderwijs en onderzoek", aldus hij.

Assoc Prof. Wu gaat vooruit en wil een schaalbare methode voor mica-exfoliatie ontwikkelen en de toepassingen van mica voor waterzuivering onderzoeken.

"De schaalbare fabricage van 2D-materialen met behulp van duurzame en kosteneffectieve methoden zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor de industrie en de samenleving, zoals het verminderen van de koolstofuitstoot en het verbeteren van de energie-efficiëntie. Over het algemeen hopen we dat dit onderzoek ons ​​begrip van 2D-materialen en hun potentieel zal vergroten toepassingen en dragen bij aan de ontwikkeling van duurzame en innovatieve technologieën”, zei hij.

Meer informatie: P. Vishakha T. Weerasinghe et al, Efficiënte synthese van 2D-mica-nanoplaten door solvothermische en microgolfondersteunde technieken voor toepassingen voor CO2-afvang, Materialen (2023). DOI:10.3390/ma16072921

Aangeboden door de Singapore University of Technology and Design