06.07.2020 - Oak Ridge National Laboratory

Kohlenstoffliebende Materialien zur Reduzierung industrieller Emissionen

Neuartiges Herstellungsverfahren für erschwingliche Gasmembranen

Forscher des Oak Ridge National Laboratory und der University of Tennessee, Knoxville, fördern Gasmembranmaterialien, um praktische Technologieoptionen zur Reduzierung industrieller Kohlenstoffemissionen zu erweitern.

Die in Chem veröffentlichten Ergebnisse zeigen eine Herstellungsmethode für Membranmaterialien, mit der die derzeitigen Engpässe bei Selektivität und Permeabilität überwunden werden können, Schlüsselvariablen, die die Leistung bei der Kohlenstoffbindung in realen Umgebungen bestimmen.

"Häufig gibt es einen Kompromiss darin, wie selektiv oder wie durchlässig man Membranen herstellen kann, die Kohlendioxid herausfiltern, ohne andere Gase durchzulassen. Das ideale Szenario ist die Herstellung von Materialien mit hoher Permeabilität und Selektivität", sagte Zhenzhen Yang vom Department of Chemistry der UT.

Gasmembranen sind eine vielversprechende, aber noch in der Entwicklung befindliche Technologie zur Reduzierung von Nachverbrennungs- oder Rauchgasemissionen, die von der mit fossilen Brennstoffen betriebenen Industrie erzeugt werden.

Das Konzept ist einfach: Eine dünne, poröse Membran fungiert als Filter für Abgasgemische und lässt selektiv Kohlendioxid oder CO2 frei in einen Kollektor strömen, der unter reduziertem Druck gehalten wird, verhindert aber, dass Sauerstoff, Stickstoff und andere Gase mitgerissen werden.

Im Gegensatz zu bestehenden chemischen Methoden zur CO2-Abscheidung aus industriellen Prozessen sind Membranen einfach zu installieren und können über lange Zeiträume unbeaufsichtigt ohne zusätzliche Schritte oder zusätzliche Energiekosten betrieben werden. Der Haken an der Sache ist, dass neue, kosteneffiziente Materialien benötigt werden, um die Technologie für die kommerzielle Anwendung zu skalieren.

"Gasmembranen benötigen Druck auf der einen Seite und typischerweise ein Vakuum auf der anderen Seite, um eine frei fließende Umgebung aufrechtzuerhalten, weshalb die Selektivität und Permeabilität der Materialien für die Entwicklung der Technologie so wichtig sind", sagte Ilja Popovs von der ORNL-Abteilung Chemische Wissenschaften. "Leistungsschwache Materialien erfordern mehr Energie, um Gase durch das System zu drücken, daher sind fortschrittliche Materialien der Schlüssel, um die Energiekosten niedrig zu halten.

Kein natürliches und nur wenige synthetische Materialien haben die so genannte Robeson-Obergrenze überschritten, eine bekannte Grenze, die einschränkt, wie selektiv und durchlässig die meisten Materialien sein können, bevor diese Raten zu sinken beginnen.

Materialien mit ausreichend hoher Selektivität und Permeabilität für effiziente Gastrennungen sind selten und werden oft aus teuren Ausgangsmaterialien hergestellt, deren Herstellung entweder eine lange und mühsame Synthese oder teure Übergangsmetallkatalysatoren erfordert.

"Wir haben uns daran gemacht, eine Hypothese zu testen, die besagt, dass die Einführung von Fluoratomen in Membranmaterialien die Leistung der Kohlenstoffabscheidung und -trennung verbessern könnte", sagte Yang.

Das Element Fluor, das zur Herstellung von Konsumgütern wie Teflon und Zahnpasta verwendet wird, bietet Kohlendioxid-philische Eigenschaften, die es für Anwendungen mit Kohlenstoffabscheidung attraktiv machen. Es ist auch weit verbreitet, was es zu einer relativ erschwinglichen Option für kostengünstige Herstellungsmethoden macht. Die Forschung über fluorierte Gasmembranen ist wegen der grundlegenden Herausforderungen bei der Einarbeitung von Fluor in Materialien zur Realisierung seiner kohlenstoffliebenden Funktionalität begrenzt.

"Unser erster Schritt war die Herstellung eines einzigartigen Polymers auf Fluorbasis mit einfachen chemischen Methoden und kommerziell verfügbaren Ausgangsmaterialien", sagte Yang.

Als nächstes wandelten die Forscher das Material unter Verwendung von Wärme um oder verkohlten es, um ihm die für die Abscheidung von CO2 erforderliche poröse Struktur und Funktionalität zu verleihen. Der zweistufige Prozess bewahrte die fluorierten Gruppen und erhöhte die Selektivität des CO2 im Endmaterial, wodurch eine grundlegende Hürde überwunden wurde, die bei anderen synthetischen Verfahren aufgetreten war.

"Der Ansatz führte zu einem kohlendioxid-philen Material mit großer Oberfläche und Ultramikroporen, das unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen stabil ist", sagte Yang. "All diese Faktoren machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für Kohlenstoffabscheide- und -trennmembranen".

Das neuartige Design des Materials trägt zu seiner aussergewöhnlichen Leistung bei, die sich in hohen Selektivitäts- und Permeabilitätsraten niederschlägt, die die Robeson-Obergrenze überschreiten, was nur eine Handvoll Materialien erreicht haben.

"Unser Erfolg war eine materielle Errungenschaft, die machbare Wege zur Nutzung von Fluor in zukünftigen Membranmaterialien aufzeigt. Darüber hinaus haben wir dieses Ziel mit kommerziell verfügbaren, kostengünstigen Ausgangsmaterialien erreicht", sagte Popovs.

Die grundlegende Entdeckung erweitert die begrenzte Bibliothek praktischer Optionen für Membranen mit Kohlenstoffabscheidung und eröffnet neue Wege für die Entwicklung fluorierter Membranen mit anderen aufgabenspezifischen Funktionalitäten.

Als Nächstes wollen die Forscher den Mechanismus untersuchen, durch den fluorierte Membranen CO2 absorbieren und transportieren. Dies ist ein grundlegender Schritt, der das Design besserer Kohlenstoffabscheidungssysteme mit Materialien beeinflussen wird, die speziell auf das Einfangen von CO2-Emissionen zugeschnitten sind.

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