廉价的材料可以有效地捕获碳从废气

使用廉价的聚合物称为三聚氰胺——胶木的主要成分——化学家已经创建了一个廉价、简单和节能的方式捕捉二氧化碳从烟囱,美国和其他国家的一个关键目标寻求减少温室气体排放。

合成三聚氰胺的过程材料,本周发表在《科学》杂志上的进步,可能被缩减捕获车辆废气排放或其他可移动的二氧化碳来源。化石燃料燃烧释放的二氧化碳约占75%的温室气体排放产生在美国

新材料很简单,要求主要是现成的三聚氰胺粉——今天每吨成本约40美元——随着甲醛和三聚氰酸,添加化学物质,其他用途,与氯气的游泳池。

“我们想考虑碳捕捉材料是来源于来源,真的是便宜和容易获得。与三聚氰胺,因此,我们决定开始”的教授杰弗里·雷蒙说研究生院化学与生物分子工程系在加州大学伯克利分校和相应的论文的作者之一。

所谓的三聚氰胺多孔网络捕获二氧化碳的效率与早期结果最近材料碳捕获,金属有机框架,或财政部。加州大学伯克利分校的化学家创造了第一个这样的碳捕捉财政部2015年,和随后的版本被证明是更有效地去除烟气中二氧化碳,比如来自燃煤发电厂。

但毛海盐,加州大学伯克利分校博士后论文的第一作者是谁,说melamine-based材料使用更便宜的材料,更容易比大多数mof使,更节能。多孔三聚氰胺的低成本意味着材料可以广泛部署。

“在这项研究中,我们专注于更便宜的捕获和储存的材料设计和阐明二氧化碳和材料之间的相互作用机理,”毛说。“这项工作创建一个通用工业化对可持续使用多孔网络的二氧化碳捕获方法。我们希望我们能设计一个未来附件捕捉汽车废气,或者附件建筑甚至涂层表面上的家具。”

工作是加州大学伯克利分校的一组之间的合作由雷蒙;崔屹领导的一群斯坦福大学能源研究所研究主任,米勒Somorjai访问加州大学伯克利分校的教授,前加州大学伯克利分校的博士后;加州大学伯克利分校研究生院教授亚历山大松树;和一群德州农工大学Hong-Cai为首。京唐、博士后斯坦福大学和斯坦福直线加速器中心和加州大学伯克利分校的访问学者,与毛co-first作者。雷蒙也是一个教师在劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。

到2050年碳中和

而消除化石燃料燃烧停止气候变化是至关重要的,主要的临时策略是捕获的二氧化碳排放,主要的温室气体,气体储存到地下或将二氧化碳转化为有用的产品。美国能源部已宣布项目总计31.8亿美元促进先进的和商业上可伸缩的碳捕捉技术,利用和封存(CCUS)达成一项雄心勃勃的烟气二氧化碳捕获效率90%的目标。美国最终目标是零碳排放到2050年。

但碳捕获远非商业可行性。今天最好的技术涉及管道烟气通过液体胺结合二氧化碳。但这需要大量的能量来释放二氧化碳一旦它绑定到胺,这样它就可以被集中和地下储存。胺混合物必须加热到120 - 150摄氏度(250 - 300华氏度)重新生成二氧化碳。

相比之下,多孔网络DETA和氰尿酸三聚氰胺改性捕获二氧化碳约为40摄氏度,略高于室温,并释放它在80摄氏度,低于水的沸点。节约能源来自不需要加热到高温的物质。

在其研究中,斯坦福大学伯克利分校/ /德州团队专注于普通聚合物三聚氰胺,它不仅用于胶木还便宜的餐具和餐具,工业涂料和其他塑料。治疗用甲醛三聚氰胺粉——研究人员在公斤数量——创建纳米孔的三聚氰胺,研究人员认为将吸收二氧化碳。

毛说,测试证实formaldehyde-treated三聚氰胺吸附二氧化碳,但是吸附可以大大改善了通过添加另一个amine-containing化工、DETA(二乙撑三胺),将二氧化碳。她和她的同事们随后发现,聚合反应中添加三聚氰酸大幅增加了孔隙大小,从根本上改善二氧化碳捕获效率:几乎所有模拟烟气中的二氧化碳混合物在大约3分钟吸收。

添加三聚氰酸还允许使用的材料一遍又一遍。

一个新家庭的多孔网络

毛和她的同事们进行了固态核磁共振(NMR)的研究来了解三聚氰酸和DETA相互作用使碳捕获效率。研究表明,三聚氰胺氰尿酸形成强氢键网络,帮助稳定DETA,防止浸出三聚氰胺的毛孔在重复周期的碳捕捉和再生。

“海燕和她的同事们,都不能显示噪音对这些优雅的技术就是这些群体混合,二氧化碳是如何反应,这在孔隙通道三聚氰酸,她能够循环二氧化碳,多次与能力很不错,“雷蒙说。”和二氧化碳吸附的速度非常迅速,相对于其他材料。所有实验室规模的实际方面这种材料对二氧化碳捕获,这是令人难以置信的廉价和容易使。”

“利用固态核磁共振技术,我们系统地阐明在前所未有的原子水平的机制细节无定形网络与二氧化碳的反应,”毛说。“对能源和环境的社区,这工作创造了一个高性能、固态网络家庭一起彻底的理解机制,但也鼓励多孔材料研究的进化从试错方法合理,循序渐进,原子水平调制。”

雷蒙和崔组正在继续调整孔隙大小和胺组改善碳捕获效率的三聚氰胺多孔网络,同时保持产品的能源效率。这涉及到使用一个动态组合化学技术来改变原料的比例达到有效、可扩展、可回收和高容量二氧化碳捕获。

雷蒙和毛也与斯坦福大学崔集团密切合作,综合其他类型的材料,包括分层纳米多孔膜——一类纳米复合材料结合碳球和石墨烯氧化物和分层松木制成的纳米多孔碳,吸附二氧化碳。雷蒙开发固态核磁共振专门描述固体材料相互作用的机理二氧化碳,为了设计出更好的材料碳捕捉从环境和能源存储。崔开发一个健壮的和可持续的固态平台创建新材料和制造技术应对气候变化和能源存储。

参考:毛H,唐J, GS,等。一个可伸缩的固态纳米多孔网络对二氧化碳捕获原子水平交互设计。Sci副词。2022;8 (31):eabo6849。doi:10.1126 / sciadv.abo6849

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