Новости

Mar 15, 2023

Сверхсшитый полимер на основе бензола, функционализированный амином, в качестве адсорбента для адсорбции CO2/N2.

Научные отчеты, том 13,

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9214 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

В этой работе сверхсшитый полимер (ГСП) на основе бензола в качестве адсорбента был модифицирован с использованием аминогруппы для повышения способности и селективности поглощения CO2. По результатам анализа БЭТ, HCP и модифицированный HCP обеспечивают площадь поверхности 806 (м2 г-1) и объем микропор 453 (м2 г-1), 0,19 (см3 г-1) и 0,14 (см3 г-1). , соответственно. Адсорбцию газов CO2 и N2 проводили в реакторе лабораторного масштаба при температуре от 298 до 328 К и давлении до 9 бар. Экспериментальные данные оценивались с использованием изотермических, кинетических и термодинамических моделей для определения абсорбирующих свойств. Максимальная адсорбционная способность CO2 при 298 К и 9 бар была получена 301,67 (мг г-1) для ГКП и 414,41 (мг г-1) для ГКП, модифицированного амином. Оценка термодинамических параметров адсорбции CO2, включая изменения энтальпии, изменения энтропии и изменения свободной энергии Гиббса при 298 К, ​​составила - 14,852 (кДж моль-1), - 0,024 (кДж моль-1 К-1), - 7,597 (кДж моль-1). 1) для ГЦП и - 17,498 (кДж моль-1), - 0,029 (кДж моль-1 К-1), - 8,9 (кДж моль-1) для ГЦП, функционализированного амином, соответственно. Наконец, селективность образцов была рассчитана при составе CO2/N2 15:85 (об./об.), и 43%-ное повышение селективности адсорбции при 298 К было получено для модифицированного амином HCP.

Избыточные выбросы CO2 в результате сжигания ископаемого топлива вызывают серьезные глобальные климатические и экологические проблемы, привлекая внимание к технологиям улавливания и хранения углерода (CCS) во всем мире1,2. За несколько десятилетий улавливание и хранение CO2 с использованием жидких аминов было разработано как применимый метод и в настоящее время используется в различных промышленных приложениях3,4. Однако этот метод имеет некоторые недостатки, в том числе высокие затраты энергии на восстановление, проблемы с коррозией и потери жидкого амина в процессе абсорбции5,6. Для решения упомянутых проблем исследователи были сосредоточены на разработке твердых сорбентов для улавливания CO2, поскольку они требуют меньше энергии для восстановления, высокой адсорбционной способности, селективного поведения при разделении газов и стабильных характеристик в циклах адсорбции-десорбции7. Пористые органические полимеры (СОЗ) представляют собой функциональные материалы с низкой плотностью скелета, большой удельной поверхностью и стабильными физическими и химическими свойствами, которые широко применяются в хранении газов, химическом катализе, разделении, доставке лекарств и в любых других потенциальных областях8. (СОЗ) подразделяются на ковалентные органические каркасы (КОФ)9,10, сопряженные микропористые полимеры (CMP)11,12, ковалентные тиазиновые каркасы (CTF)13,14, металлорганические каркасы (МОФ)15,16, полимеры собственного микропористость (PIM)17,18, сверхсшитые полимеры (HCP)19,20 и т. д.21. HCP представляют собой класс интересных платформ из-за их высокой удельной поверхности, химической и хорошей термической стабильности, а также высокой доступности22. Как правило, ГКП образуются в результате избыточного сшивания ароматических мономеров посредством реакции алкилирования Фриделя-Крафтса, в результате чего образуется растянутый полимер, который может оставаться пористым при удалении растворителя23,24.

В настоящее время существует значительный интерес к использованию сверхсшитого полимера для улавливания и хранения CO2, а также для разделения газов24. Например, Хассан и др.25 синтезировали сверхсшитые полимеры на основе триптицена и богатые азотом (TNHCP-1), в результате чего способность к адсорбции CO2 составила 98 мг/г. Хуэй Гао и др.26 приготовили образец HCP на основе пека и исследовали адсорбцию CO2, которая дала способность поглощать CO2 17,74 мас.% при 1,0 бар и 273 К. Согласно результатам аналогичных исследований по поглощению CO2 полимерными адсорбентами, Можно сделать вывод, что улучшение химического состава поверхности адсорбентов увеличивает емкость и селективность адсорбции CO2 за счет улучшения межмолекулярных взаимодействий между молекулами CO2 и функциональными группами поверхности адсорбента7,27,28,29,30,31,32,33. Таким образом, включение гетероатомов, таких как N, O, S и т. д., улучшает гетерогенность поверхностного потенциала образца HCP, что приводит к увеличению способности поглощения CO2 и селективности34,35. Добавление аминогрупп к твердому адсорбенту является эффективным подходом к улучшению селективности, поскольку оно увеличивает сродство к адсорбции CO2 за счет механизма хемосорбции33. Включение таких функциональных групп в предшественники СОЗ является трудоемкой задачей, поскольку в большинстве случаев функциональные группы, существующие в предшественниках СОЗ, не выдерживают условий полимеризации или из-за несовместимости функциональных групп с реакцией полимеризации полимеризация прекращается. неудачно36. Постсинтетическая модификация – один из наиболее эффективных способов решения этой проблемы37. Преимущества добавления аминогрупп к твердым адсорбентам привлекли все большее внимание к разработке композитов амина и пористого материала38. Химическая модификация и физическая пропитка обычно являются двумя основными методами, используемыми для функционализации твердых адсорбентов. Хотя химическая модификация является более простым методом, чем физическая пропитка, адсорбент, функционализированный химической модификацией при более высоких температурах, имеет лучшую химическую стабильность, чем метод физической пропитки 29. Например, Кришнан и др. 39 представили модифицированный амином микропористый адсорбент ГКП (PCP- 1) с емкостью поглощения CO2 103,8 мг/г при 273 К и 1 бар. Наджафи и др. приготовили микропористый полимер, пропитанный этилендиамином (B-Cl-1). Результат показывает способность адсорбции CO2 39,15 мг/г при 273 К и 1 бар29.