Für eine effiziente Ammoniakabscheidung sind die Entwicklung und der Entwurf von Hochleistungsmaterialien von entscheidender Bedeutung. Im Allgemeinen zeichnen sich diese Materialien durch zahlreiche Ammoniakadsorptionsstellen und schnelle Ammoniaktransportkanäle aus, die eine effektive Abscheidung und Freisetzung von Ammoniakmolekülen ermöglichen.
Basierend auf ihren Eigenschaften und Erfassungsmechanismen können NH3-Erfassungsmaterialien in vier Kategorien eingeteilt werden: funktionelle Absorptionsmittel, Adsorptionsmittel (poröse Feststoffe), Absorptions-Adsorptions-Verbundstoffe (poröse Flüssigkeiten) und Membrantrennmaterialien.
Die Forscher Bai Lu und andere vom Institut für Verfahrenstechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben die jüngsten Fortschritte bei Materialien zur Ammoniak-Abscheidung untersucht und sich dabei auf die wichtigsten Trennmedien in NH3-Abscheidungsprozessen konzentriert, mit besonderem Augenmerk auf Interaktionsstellen und Transportwege.
Sie diskutieren außerdem die potenziellen Anwendungen neuer Hybridtechnologien, die poröse Flüssigkeiten als wichtige Auffangmaterialien verwenden.
In Zukunft dürfte die Integration künstlicher Intelligenz zur Entwicklung und Vorhersage der Ammoniakabscheidungsleistung von Materialien sowie zur Optimierung von Synthesebedingungen und Prozessparametern die Entwicklungszyklen verkürzen. Darüber hinaus sind weitere Forschungen zu umweltfreundlichen Produktionsmethoden im großen Maßstab, Prozessoptimierung und adaptiven Ammoniakabscheidungstechniken erforderlich.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Nano-Mikro-Buchstaben.
Funktionelle Absorptionsmittel
Ionische Flüssigkeiten (ILs) haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, darunter geringe Flüchtigkeit, hohe chemische und thermische Stabilität, ausgezeichnete Gaslöslichkeit und -selektivität sowie die anpassbare Struktur ihrer Anionen und Kationen, im Bereich der Gastrennung große Aufmerksamkeit erregt. Die Entwicklung hochleistungsfähiger, reversibel Ammoniak absorbierender ionischer Flüssigkeiten ist derzeit ein Forschungsschwerpunkt.
Bai Lu und Kollegen diskutierten die Absorptions-Desorptionsleistung, die Änderungen der physikalischen Eigenschaften vor und nach der Absorption sowie die Struktur-Leistungs-Beziehungen verschiedener ionischer Flüssigkeiten und ihrer Derivate (z. B. tief eutektische Lösungsmittel), indem sie spezifische Beispiele untersuchten und sich auf die Arten, Mengen und Stärken der NH3-Wechselwirkungsstellen konzentrierten.
Poröse feste Adsorbentien
Neben flüssigen Absorptionsmitteln werden auch poröse Feststoffadsorptionsmittel zur Ammoniakabscheidung und -trennung eingesetzt. Die zahlreichen Poren in porösen Feststoffen bieten Kanäle für den schnellen Transport von NH3 und vermeiden gleichzeitig wirksam die Korrosionsprobleme, die mit Säurewaschverfahren einhergehen.
Derzeit können die gemeldeten porösen Adsorptionsmaterialien grob in vier Typen eingeteilt werden: konventionelle anorganische poröse Materialien (CIPMs), poröse organische Polymere (POPs), kristalline poröse Materialien (CPMs) und zusammengesetzte Adsorptionsmaterialien.
Im Allgemeinen sind CIPMs kostengünstig und einfach herzustellen, aber ihre Wechselwirkungen mit NH3-Molekülen sind relativ schwach. Daher konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf Säuremodifizierungsmethoden, um die Ammoniakadsorptionskapazität dieser Materialien zu verbessern. Die durch das Stapeln von Polymerketten und die funktionellen Gruppen an diesen Ketten in POPs gebildeten Poren können die Ammoniakadsorptionsleistung deutlich verbessern.
Darüber hinaus weisen CPMs mit geordneten Porenstrukturen und starken Wechselwirkungen hohe NH3-Adsorptionskapazitäten und schnelle Adsorptionskinetiken auf. Verbundwerkstoffe, insbesondere solche mit ionischen Flüssigkeiten, weisen ebenfalls eine ausgezeichnete NH3-Adsorptionsleistung auf.
Poröse Flüssigkeiten
Poröse Flüssigkeiten kombinieren die Fließfähigkeit von Flüssigkeiten mit der inhärenten Porosität von Feststoffen und sind daher leicht mit vorhandenen Geräten kompatibel. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigkeiten bestehen poröse Flüssigkeiten aus porösen Gerüsten mit permanenten Hohlräumen, die als Gastransportwege fungieren und eine hohe Kapazität und schnelle Adsorptionskinetik bieten.
Die Synthese poröser Flüssigkeiten bleibt jedoch aufgrund von Problemen wie dem Kollaps, der Zersetzung oder der molekularen Selbstfüllung dieser porösen Hohlräume eine Herausforderung. Obwohl poröse Flüssigkeiten, die speziell für die NH3-Abscheidung und -Trennung entwickelt wurden, noch nicht bekannt sind, bergen sie erhebliches Potenzial für die zukünftige Entwicklung.
Membranmaterialien
Eine weitere vielversprechende Methode zur NH3-Abtrennung ist die Membrantrennung, die eine direkte Rückgewinnung von gasförmigem Ammoniak ermöglicht. Im Gegensatz zur CO2-Abtrennung ist die Forschung an Ammoniak-Trennmembranen jedoch relativ begrenzt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung und den Entwurf von Membranmaterialien zur Verbesserung der NH3-Durchlässigkeit und -Selektivität.
Eine effektive Strategie zur Leistungssteigerung ist die Einführung von Interaktionsstellen zur Verbesserung der NH3-Adsorption auf der Membranoberfläche. Ein anderer Ansatz besteht in der Konstruktion von Transportwegen, die die NH3-Diffusion innerhalb der Membran beschleunigen.
Weitere Informationen:
Hai-Yan Jiang et al, Fortschrittliche Materialien zur NH3-Aufnahme: Interaktionsstellen und Transportwege, Nano-Mikro-Buchstaben (2024). DOI: 10.1007/s40820-024-01425-1
Zur Verfügung gestellt vom Shanghai Jiao Tong University Journal Center