Hur kan hybridmaterial baserade på zeoliter och MOF förbättra CO2-adsorption?

Effektiv fångst av koldioxid (CO2) är en avgörande del i kampen mot klimatförändringar, och utvecklingen av avancerade adsorbenter är central för detta ändamål. Zeolitbaserade hybridmaterial representerar en lovande strategi tack vare deras väldefinierade porstrukturer och höga ytor, vilket möjliggör selektiv adsorption av CO2 från industriella utsläpp och rökgaser. Genom att modifiera zeoliternas ytkemi kan dess affinitet för CO2 molekyler kraftigt förbättras. Funktionalisering med specifika kemiska grupper skapar fler adsorptionsplatser och förbättrar interaktionen med CO2, vilket ökar både kapacitet och selektivitet. Till exempel visade experiment att behandling av zeolit 13X i en sur miljö kunde höja CO2-adsorptionen till 6,42 mmol/g.

En annan metod är att kombinera zeoliter med metalloxider eller organiska polymerer, vilket resulterar i hybridmaterial med synergistiska egenskaper. Metalloxider bidrar med ytterligare adsorptionsytor och förbättrar stabiliteten, medan polymerer kan öka materialets mekaniska styrka och flexibilitet. Samverkan mellan zeolit och aktivt kol är också särskilt effektiv; aktivt kol erbjuder stor yta och porvolym, medan zeoliternas selektiva platser optimerar adsorptionen, vilket leder till förbättrad prestanda.

Utöver zeoliter har metall-organiska ramverk, MOF, fått stort intresse för CO2-fångst på grund av deras höga porositet och anpassningsbara struktur. MOF-material kan skräddarsys för att optimera porstorlekar och därigenom maximera tillgängligheten av adsorptionsplatser. Kombinationen av MOF med andra funktionella komponenter i hybridmaterial kan ytterligare förstärka adsorptionseffektiviteten genom synergistiska effekter.

Det är viktigt att förstå att adsorption av CO2 inte bara beror på materialets yta och porositet utan också på dess termodynamiska egenskaper. Exempelvis indikerar studier att adsorption av CO2 i vissa material är en exoterma process och sker fysiskt, vilket påverkar deras prestanda vid olika temperaturer. Material som kan regenereras och uppvisa hög termisk stabilitet, som KOH@GO-Fe3O4, är särskilt intressanta för praktiska tillämpningar då de möjliggör återanvändning och därmed hållbarhet.

Vidare är selektiviteten gentemot andra gaser som kväve eller metan en avgörande parameter för adsorbenters effektivitet i verkliga miljöer. Studier med jonbytta zeoliter visar att valet av katjoner kan påverka både selektivitet och adsorption. Detta illustrerar vikten av molekylära interaktioner mellan gasmolekyler och adsorbentens ramverk.

Utöver dessa tekniska aspekter bör läsaren förstå att utvecklingen av nya adsorbentmaterial kräver en helhetssyn som inkluderar livscykelanalys, energiförbrukning vid regenerering och materialets påverkan på miljön. Att balansera adsorptionseffektivitet med hållbarhet och kostnadseffektivitet är avgörande för att teknologier för koldioxidfångst ska kunna implementeras i stor skala och bidra till klimatmålen.

Hur påverkar funktionaliserade polymera adsorbenter CO2-adsorption?

Polyisocyanurater har olika tillämpningar inom isolerings- och flammskyddsämnen tack vare deras höga termiska stabilitet och i form av polymera adsorbenter för CO2-fångst. SBA-15 är ett silikatmaterial som först identifierades av Zhao et al. Det är ett allmänt använt material vars struktur består av regelbundna hexagonala porer i storleksordningen 4,6–30 nm. Sanz-Perez et al. har undersökt återanvändbarheten och återvinning av silikaaminer som CO2-absorberande material. Adsorbenterna framställdes genom att grafta dietylenetriamin eller impregnera PEI på silika SBA-15. Chang et al. (2017) undersökte effekten av silikabaser och PEG-tillsatser på adsorptionskapaciteten för CO2 i molekylära adsorbenter (MBS) bestående av PEI och en av följande baser: SBA-15 (2D-struktur), TUD-1 (3D-svampstruktur) och silica fume HS-5 (3D-ostrukturerad). Resultaten visade att tillsatsen av PEG avsevärt ökade CO2-adsorptionskapaciteten och förbättrade amindynamiken i MBS genom att minska hinder för spridning i PEI-lager via intermolekylära interaktioner mellan PEI och PEG.

Under sin forskning syntetiserade Ding et al. en ZIF-L med hierarkisk morfologi genom ett hydrotermalt förfarande för att förbättra CO2-adsorptionen. Den resulterande hierarkiska produkten uppvisade unika fysiska egenskaper, såsom ZIF-L-sheets som mätte flera mikrometer i längd, 12 μm i bredd och 300 nm i tjocklek. Hydrotermal temperatur visade sig spela en avgörande roll i att bilda denna hierarkiska nanostruktur. Tidsberoende experiment avslöjade att bildandet av denna struktur var en tvåstegs kristallutvecklingsprocess. En jämförelse av adsorptionskapaciteten hos hierarkisk ZIF-L med 2D-prover av ZIF-L och ZIF-8 visade signifikanta skillnader. Trots att ZIF-8 hade en större yta, visade den hierarkiska ZIF-L en överlägsen adsorptionskapacitet på grund av de unika kuddformade hålrummen i ZIF-L och den starka interaktionen mellan CO2 och 2-metylimidazolmolekyler. Den högre CO2-adsorptionskapaciteten hos hierarkiska ZIF-L-enheter, jämfört med 2D ZIF-L vid rumstemperatur, kan tillskrivas den överlägsna ytan och de mycket effektiva hierarkiska nanostrukturerna. Ytarean och adsorptionskapaciteten för hierarkisk ZIF-L, 2D ZIF-L och ZIF-8 var 304 m²/g och 1,56 mmol/g, 161 m²/g och 0,94 mmol/g, samt 1450 m²/g och 0,68 mmol/g, respektive.

När det gäller funktionaliserade CO2-adsorbenter har N-innehållande funktionella grupper fått mycket uppmärksamhet. N-funktionella fasta adsorbenter (NFSAs) har visat sig ha en starkare beroende av CO2 än håliga och porösa adsorbenter och bättre fuktighetsbeständighet. Därmed har NFSAs identifierats som en av de mest lovande adsorbenterna för post-förbrännings CO2-adsorption. Dessa tillverkas genom att elektonegativa N-källor introduceras i fasta adsorbenter, vilket utnyttjar både porstrukturen hos porösa fasta adsorbenter och den sura gasaffiniteten hos N-föreningar.