Die Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen (CO₂) ist ein entscheidender Schritt zur Eindämmung des Klimawandels und zum Schutz der Umwelt auf der Erde. Eine vorgeschlagene Technologie zur Reduzierung der CO₂-Emissionen, insbesondere von Kraftwerken und Industrieanlagen, ist die Kohlenstoffabscheidung.
Bei der Kohlenstoffabscheidung wird CO₂ aus gemischten Gasemissionen abgetrennt und aufgefangen, um seine Freisetzung in die Luft zu verhindern. Ein Ansatz hierfür ist die Verwendung spezieller Membranen, die als selektive „Barrieren“ dienen. Sie lassen CO₂ durch und absorbieren es, während sie den Durchgang anderer Gase blockieren.
Bislang war die Entwicklung leistungsstarker und kostengünstiger Membranen zur CO₂-Abscheidung eine Herausforderung. Dies hat das Potenzial dieser Lösungen für reale Anwendungen erheblich eingeschränkt.
Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben kürzlich neue Graphenmembranen vorgestellt, die eine hochleistungsfähige Kohlenstoffabscheidung ermöglichen könnten. Diese Membranen, die in einem Artikel vorgestellt wurden veröffentlicht In Natur Energiebauen an ihren Porenrändern Pyridinstickstoff ein, der die Bindung von CO₂ an ihre Poren erleichtert.
„Wir wollten die Trennleistung von Graphenmembranen verbessern“, sagte Kumar Varoon Agrawal, korrespondierender Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Wir haben viel Arbeit in die Erhöhung der Porosität von Graphen gesteckt, die Größenverteilung der Poren verbessert und den Poren Polymergruppen hinzugefügt, um die CO2/N2-Selektivität zu verbessern und eine hohe CO2-Permeanz zu erreichen. Allerdings haben wir entweder eine hohe Permeanz oder eine hohe Selektivität erreicht, aber nicht beides.“
Nach Durchsicht früherer Literatur und Durchführung eigener Studien zur Entwicklung von Membranen für die Kohlenstoffabscheidung stellten Agrawal und seine Kollegen fest, dass es noch keine Membranen auf Graphenbasis gab, die sowohl eine hohe Selektivität als auch eine hohe Durchlässigkeit aufweisen. Um die Entwicklung dieser Lösungen voranzutreiben, machten sie sich daran, eine Methode zu entwickeln, die die Bindung von CO₂ an Graphenporen verbessern würde.
Die von ihnen vorgeschlagene Methode besteht darin, Ammoniak bei Raumtemperatur oxidiertem einschichtigem Graphen auszusetzen. Dieser Prozess führte zu einem Einbau von Pyridinstickstoff an den Rändern der Membranporen, was die Bindung dieser Poren mit CO2 verstärkt.
„Wir haben atomaren Stickstoff in Form von Pyridin-N in die Graphenporen eingeführt“, sagte Agrawal. „Diese Form von Stickstoff hat eine hohe Affinität zu CO2. Dieser Ansatz ist vorteilhaft, da das Graphengitter atomdünn bleibt und wir sowohl eine hohe Selektivität als auch Permeanz erreichen können.“
Die Forscher stellten fest, dass ihre Methode zu Membranen mit einem vielversprechenden durchschnittlichen CO2/N2-Trennfaktor von 53 und einer durchschnittlichen CO2-Permeanz von 10.420 aus einem Strom mit 20 Vol.-% CO2 führte. Für einen verdünnten CO2-Strom mit einem Volumenprozentsatz von ~1 erreichte die Membran Trennfaktoren über 1.000.
„Wir konnten die Pyridin-N-Einlagerung mit einer einfachen Methode durchführen, indem wir poröses Graphen einfach in Ammoniak einweichen ließen“, sagte Agrawal. „Wir stellten fest, dass dies zu einer bemerkenswerten Verbesserung der CO2/N2-Selektivität bei gleichzeitiger Beibehaltung einer außergewöhnlichen Permeanz führte. Außerdem führte dies zu einer extrem hohen CO2/N2-Selektivität für verdünnte CO2-Zufuhr von über 1.000, was äußerst attraktiv ist.“
Die von Agrawal und seinen Kollegen entwickelten Graphenmembranen und der Ansatz zu ihrer Herstellung könnten neue Möglichkeiten für die großtechnische Umsetzung von Kohlenstoffabscheidungstechniken eröffnen. Die Forscher arbeiten derzeit daran, die Membranen zu vergrößern und ihre Herstellung durch Rolle-zu-Rolle-Synthese zu vereinfachen, um ihre zukünftige Kommerzialisierung zu erleichtern.
Mehr Informationen:
Kuang-Jung Hsu et al., Graphenmembranen mit Pyridinstickstoff an den Porenrändern für eine leistungsstarke CO2-Abscheidung, Natur Energie (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
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