تود شارلوت إم وينتز أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB8H165. تود زويس تسيناس أن تعترف بالتمويل من خلال جائزة NIST # 70NANB22H140.

تشريب وتطعيم المركبات الأمينية على ركائز السيليكا

<ol>
	<li>Zhu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+direct+air+capture+by+adsorption.">Recent advances in direct air capture by adsorption.</a> Chemical Society Reviews. 51 (15), 6574-6651 (2022).</li><li>Zhao, P., Zhang, G., Yan, H., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+latest+development+on+amine+functionalized+solid+adsorbents+for+post-combustion+CO2+Capture:+Analysis+review.">The latest development on amine functionalized solid adsorbents for post-combustion CO2 Capture: Analysis review.</a> Chinese Journal of Chemical Engineering. 35 (8), 17-43 (2021).</li><li>Chen, D., Zhang, S., Row, K. H., Ahn, W. -. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amine-silica+composites+for+CO2+capture:+A+short+review.">Amine-silica composites for CO2 capture: A short review.</a> Journal of Energy Chemistry. 26 (5), 868-880 (2017).</li><li>Nie, L., Mu, Y., Jin, J., Chen, J., Mi, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+and+considerations+issues+in+solid+adsorbents+for+CO2+capture+from+flue+gas.">Recent developments and considerations issues in solid adsorbents for CO2 capture from flue gas.</a> Chinese Journal of Chemical Engineering. 26 (11), 2303-2317 (2018).</li><li>Nithyashree, N., Manohara, G. V., Maroto-Valer, M. M., Garcia, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+high-temperature+CO2+sorbents+with+improved+long-term+cycling+stability.">Advanced high-temperature CO2 sorbents with improved long-term cycling stability.</a> American Chemical Society Applied Material Interfaces. 12 (30), 33765-33774 (2020).</li><li>Song, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alternative+pathways+for+efficient+CO2+capture+by+hybrid+processes-A+review.">Alternative pathways for efficient CO2 capture by hybrid processes-A review.</a> Renewable and Sustainable Energy Review. 82, 215-231 (2018).</li><li>Rochelle, G. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amine+scrubbing+for+CO2+capture.">Amine scrubbing for CO2 capture.</a> Science. 325 (5948), 1625-1654 (2009).</li><li>Vaidye, P. D., Kenig, E. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CO2-alkanolamine+reaction+kinetics:+A+review+of+recent+studies.">CO2-alkanolamine reaction kinetics: A review of recent studies.</a> Chemical Engineering &amp; Technology. 30 (11), 1467-1474 (2007).</li><li>Veawab, A., Tontiwachwuthikul, P., Chakma, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Corrosion+behavior+of+carbon+steel+in+the+CO2+adsorption+process+using+aqueous+amine+solutions.">Corrosion behavior of carbon steel in the CO2 adsorption process using aqueous amine solutions.</a> Industrial &amp; Engineering Chemical Research. 38 (10), 3917-3924 (1999).</li><li>Chen, S., Bhattacharjee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trimodal+nanoporous+silica+as+a+support+for+amine-based+CO2+adsorbents:+Improvement+in+adsorption+capacity+and+kinetics.">Trimodal nanoporous silica as a support for amine-based CO2 adsorbents: Improvement in adsorption capacity and kinetics.</a> Applied Surface Science. 396, 1515-1519 (2017).</li><li>Jiao, J., Cao, J., Xia, Y., Zhao, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvement+of+adsorbent+materials+for+CO2+capture+by+amine+functionalized+mesoporous+silica+with+worm-hole+framework+structure.">Improvement of adsorbent materials for CO2 capture by amine functionalized mesoporous silica with worm-hole framework structure.</a> Chemical Engineering Journal. 306, 9-16 (2016).</li><li>Guo, X., Ding, L., Kanamori, K., Nakanishi, K., Yang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalization+of+hierarchically+porous+silica+monoliths+with+polyethyleneimine+(PEI)+for+CO2+adsorption.">Functionalization of hierarchically porous silica monoliths with polyethyleneimine (PEI) for CO2 adsorption.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 245, 51-57 (2017).</li><li>Fatima, S. S., Borhan, A., Ayoub, M., Ghani, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+progress+of+functionalized+silica-based+adsorbents+for+CO2+capture.">Development and progress of functionalized silica-based adsorbents for CO2 capture.</a> Journal of Molecular Liquids. 338, 116913 (2021).</li><li>Cheng, J., Liu, M., Hu, L., Li, Y., Wang, Y., Zhou, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyethyleneimine+entwine+thermally-treated+Zn/Co+zeolitic+imidazolate+frameworks+to+enhance+CO2+adsorption.">Polyethyleneimine entwine thermally-treated Zn/Co zeolitic imidazolate frameworks to enhance CO2 adsorption.</a> Chemical Engineering Journal. 364, 530-540 (2019).</li><li>Zagho, M. M., Hassan, M. K., Khraisheh, M., Al-Maadeed, M. A. A., Nazarenko, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+recent+advances+in+CO2+separation+using+zeolite+and+zeolite-like+materials+as+adsorbents+and+fillers+in+mixed+matrix+membranes+(MMMs).">A review on recent advances in CO2 separation using zeolite and zeolite-like materials as adsorbents and fillers in mixed matrix membranes (MMMs).</a> Chemical Engineering Journal Advances. 6, 100091 (2021).</li><li>Wang, J., Wang, M., Zhao, B., Qiao, W., Long, D., Ling, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesoporous+carbon-supported+solid+amine+sorbents+for+low-temperature+carbon+dioxide+capture.">Mesoporous carbon-supported solid amine sorbents for low-temperature carbon dioxide capture.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 52 (15), 5437-5444 (2013).</li><li>&#220;nveren, E. E., Monkul, B. O., Sario&#287;lan, S., Karademir, N., Alper, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+amine+sorbents+for+CO2+capture+by+chemical+adsorption:+A+review.">Solid amine sorbents for CO2 capture by chemical adsorption: A review.</a> Petroleum. 3 (1), 37-50 (2017).</li><li>Demir, H., Aksu, G. O., Gulbalkan, H. C., Keskin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MOF+membranes+for+CO2+capture:+Past,+present+and+future.">MOF membranes for CO2 capture: Past, present and future.</a> Carbon Capture Science &amp; Technology. 2, 100026 (2022).</li><li>Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+polyethylenimine-modified+mesoporous+molecular+sieve+of+MCM-41+type+as+high-capacity+adsorbent+for+CO2+capture.">Novel polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve of MCM-41 type as high-capacity adsorbent for CO2 capture.</a> Energy &amp; Fuels. 16 (6), 1463-1469 (2002).</li><li>Gelles, T., Lawson, S., Rownaghi, A., Rezaei, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+development+of+amine+functionalized+adsorbents+for+CO2+capture.">Recent advances in development of amine functionalized adsorbents for CO2 capture.</a> Adsorption. 26 (94), 5-50 (2020).</li><li>Rao, N., Wang, M., Shang, Z., Hou, Y., Fan, G., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CO2+adsorption+by+amine-functionalized+MCM-41:+A+comparison+between+impregnation+and+grafting+modification+methods.">CO2 adsorption by amine-functionalized MCM-41: A comparison between impregnation and grafting modification methods.</a> Energy Fuels. 32 (1), 670-677 (2018).</li><li>Anyanwu, J. T., Wang, Y., Yang, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amine-grafted+silica+gels+for+CO2+capture+including+direct+air+capture.">Amine-grafted silica gels for CO2 capture including direct air capture.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 59 (15), 7072-7079 (2020).</li><li>Anyanwu, J. -. T., Wang, Y., Yang, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CO2+capture+(including+direct+air+capture)+and+natural+gas+desulfurization+of+amine-grafted+hierarchical+bimodal+silica.">CO2 capture (including direct air capture) and natural gas desulfurization of amine-grafted hierarchical bimodal silica.</a> Chemical Engineering Journal. 427 (14), 131561 (2022).</li><li>Sanz, R., Calleja, G., Arencibia, A., Sanz-P&#233;rez, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amino+functionalized+mesostructured+SBA-15+silica+for+CO2+capture:+Exploring+the+relation+between+the+adsorption+capacity+and+the+distribution+of+amino+groups+by+TEM.">Amino functionalized mesostructured SBA-15 silica for CO2 capture: Exploring the relation between the adsorption capacity and the distribution of amino groups by TEM.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 158, 309-317 (2012).</li><li>Moon, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+impacts+of+support-polymer+interactions+on+the+dynamics+of+poly(ethyleneimine)+confined+in+mesoporous+SBA-15.">Understanding the impacts of support-polymer interactions on the dynamics of poly(ethyleneimine) confined in mesoporous SBA-15.</a> Journal of the American Chemical Society. 144 (26), 11664-11675 (2022).</li><li>Xu, X., Song, C., Andresen, J. M., Miller, B. G., Scaroni, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+characterization+of+novel+CO2+&amp;#34;molecular+basket&amp;#34;+absorbents+based+on+polymer-modified+mesoporous+molecular+sieve+MCM-41.">Preparation and characterization of novel CO2 &amp;#34;molecular basket&amp;#34; absorbents based on polymer-modified mesoporous molecular sieve MCM-41.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 62 (1-2), 29-45 (2003).</li><li>Sousa, J. A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=H2S+and+H2O+combined+effect+on+CO2+capture+by+amino+functionalized+hollow+microsphere+silicas.">H2S and H2O combined effect on CO2 capture by amino functionalized hollow microsphere silicas.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 60 (28), 10139-10154 (2021).</li><li>Rim, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-ambient+temperature+direct+air+capture+CO2+using+amine-impregnated+MIL-101(Cr)+enables+ambient+temperature+CO2.">Sub-ambient temperature direct air capture CO2 using amine-impregnated MIL-101(Cr) enables ambient temperature CO2.</a> JACS Au. 2 (2), 380-393 (2022).</li></ol>

لا يكشف جميع المؤلفين عن أي تضارب في المصالح المتنافسة. يتطلب الوصف الكامل للإجراءات المستخدمة في هذه الورقة تحديد بعض المنتجات التجارية ومورديها. لا ينبغي بأي حال من الأحوال تفسير تضمين هذه المعلومات على أنه يشير إلى أن هذه المنتجات أو الموردين معتمدون من قبل NIST ، أو موصى بهم من قبل NIST ، أو أنهم بالضرورة أفضل المواد أو الأدوات أو البرامج أو الموردين للأغراض الموضحة.

تهدف الطرق الموضحة هنا إلى توفير بروتوكول لإعداد الممتزات المركبة من السيليكا الأمينية المشربة والمطعمة. تستند الإجراءات التي وثقناها إلى مراجعة التقنيات الواردة في الأدبيات وتلك المكررة في مختبرنا. 1,2,3. يعد تحضير هذه المواد مفيدا في مج...

كانتانبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ على مدى العقود العديدة الماضية متورطة على نطاق واسع باعتبارها العامل الرئيسي الذي يدفع تأثير غازات الدفيئة وبالتالي تغير المناخالمرتبط 1،2،3،4. هناك طريقتان عامتان لالتقاط CO2 ، مصدر النقطة والتقاط الهواء المباشر. لأكثر من 50 عاما ، تم استخدام تقنيات التقاط CO 2 للتنظيف الرطب لالتقاط مصدر النقطة داخل الصناعة للتخفيف من انبعاثات CO2 5,6. تعتمد هذه التقنيات على الأمينات ذات الطور السائل التي تتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون2 لتكوين كربامات في ظل الظروف الجافة وكربونات الهيدروجين في وجود الماء 7,8 ، انظر الشكل 1. السبب الرئيسي وراء استخدام احتجاز الكربون وتخزينه في مصادر (صناعية) كبيرة هو منع إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون2 ، وبالتالي يكون له تأثير محايد على إجمالي تركيز ثاني أكسيد الكربون2 في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، تعاني أنظمة احتجاز الكربون من مصدر نقطي من العديد من العيوب ، مثل تآكل المعدات ، وتدهور المذيبات ، ومتطلبات الطاقة العالية للتجديد9. يتجاوز التقاط الهواء المباشر (DAC) خفض الانبعاثات ويمكن أن يسهل إزالة ثاني أكسيد الكربون2 من الغلاف الجوي. إزالة هذا CO2 الحالي ضروري للحد من استمرار تغير المناخ. DAC هي منهجية ناشئة ويجب أن تعالج صعوبات إزالة التركيزات المنخفضة من ثاني أكسيد الكربون في الظروف الجوية (400 إلى 420 جزء في المليون) ،وتعمل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية المختلفة ، وتلبي الحاجة إلى مواد فعالة من حيث التكلفة يمكن إعادة استخدامها عدة مرات1،2،3. هناك حاجة إلى عمل كبير لتحديد المواد التي تلبي هذه المتطلبات ، والتي من شأنها تسريع اعتماد DAC وتحسين جدواها الاقتصادية. والأهم من ذلك، يجب التوصل إلى توافق في الآراء بين المجتمعات المحلية بشأن المعايير الحاسمة للقياس، وهو أمر ضروري لوضع المواد المرجعية.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig01.jpg"> الشكل 1: رسم تخطيطي لآلية التقاط CO 2 الممتزة لأمين السائل المتوقع. يكون التفاعل العلوي في ظروف جافة ، ويكون التفاعل السفلي في وجود الرطوبة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
وفي محاولة لمعالجة هذه العيوب، أسفر قدر كبير من البحث والتطوير لتكنولوجيا المواد المسامية الجديدة عن مجموعة واسعة من المواد الواعدة التي يمكن استخدامها إما كمواد التقاط أو ركائز ل DAC. بعض الأمثلة على هذه المواد تشمل أنواع السيليكا المسامية 10،11،12،13 ، الزيوليت 14،15 ، الكربون المنشط16،17 ، والأطر المعدنية العضوية 18. تظهر العديد من الممتزات الأمينية المدعومة بالمواد الصلبة أيضا تحملا أعلى للماء ، وهو اعتبار حيوي في إزالة CO2 من خلال مناهج DAC. بالنسبة لتطبيقات DAC ، يجب على الباحثين مراعاة الظروف البيئية الرطبة / الجافة ، ودرجات الحرارة الساخنة / الباردة ، وتركيز CO2 في الغلاف الجوي المخفف بشكل عام. من بين مواد الركيزة المختلفة ، يتم استخدام السيليكا بشكل شائع بسبب أحجام المسام القابلة للتعديل ، والقدرة على عمل السطح ، ومساحة السطح الكبيرة1،2،3. تم وصف الإجراءات التركيبية النموذجية والسمات الأساسية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة في هذا العمل (الشكل 2). التوليف المباشر ، حيث يتم تصنيع المادة في الموقع مع كل من المكونات ، الركيزة والأمين ، هو منهجية أخرى شائعة الاستخدام2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig02.jpg"> الشكل 2: تمثيلات تخطيطية للتشريب. خلط PEI وركيزة السيليكا في الميثانول من خلال الانتشار (أعلى) ومركبات الأمين والسيليكا المطعمة من خلال الربط التساهمي (أسفل). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
التشريب هو طريقة يتم فيها امتصاص الأمين جسديا على سطح ، في هذه الحالة ، وسط سيليكا مسامي ، من خلال قوى فان دير فال والترابط الهيدروجيني بين سطح الأمين والسيليكا19 ، انظر الشكل 2. تستخدم المذيبات مثل الإيثانول والميثانول بشكل شائع لتعزيز انتشار الجزيئات في التركيب المسامي لمادة الركيزة. يمكن أيضا تسخين المحلول لزيادة قابلية ذوبان البوليامين ذو الكتلة المولية العالية ، وبالتالي زيادة تجانس تغلغل الأمين داخل المسام. في حالة المواد المشربة ، يتم تحديد كمية الأمين التي يتم إدخالها إلى ركيزة السيليكا من خلال الكمية الأولية للأمين ومساحة سطح الركيزة. إذا تجاوزت كمية الأمين التي تم إدخالها مساحة السطح المتاحة لركيزة السيليكا ، فسوف تتكتل أنواع الأمين على سطحها. هذا التكتل واضح بسهولة ، حيث ستظهر المادة المشربة على أنها تحتوي على طلاء يشبه الهلام ، وغالبا ما يكون أصفر ، بدلا من المظهر الأبيض والبودرة المتوقع1. من بين العديد من أنواع الممتزات الصلبة ذات قاعدة الأمين ، يعد البولي إيثيلين (PEI) ورباعي إيثيلين البنتامين (TEPA) الأكثر استخداما بسبب ثباتها العالي ومحتواها العاليمن النيتروجين 20. بالنسبة للأنظمة المشربة ماديا ، يمكن حساب كمية التحميل النظرية للأمين من الكميات المرجحة مسبقا للركيزة وكثافة الأمين. تكمن الميزة الواضحة للتشريب المادي في إجراء التوليف المباشر لإعداده ، فضلا عن إمكانية وجود محتوى أمين كبير بسبب المسامية العالية لركيزة السيليكا. على العكس من ذلك ، فإن استقرار الأمين داخل السيليكا محدود لأنه لا يوجد رابط تساهمي بين دعم الأمين والسيليكا. لذلك ، بعد دورات متعددة من امتصاص CO2 وتجديده من خلال الحرارة أو البخار ، يمكن أن يتسرب الأمين من المسام. على الرغم من هذه العيوب ، فإن تنفيذ مثل هذه المواد ل DAC يحمل وعدا كبيرا لإزالة CO2 من الغلاف الجوي.
خيار آخر لإعداد مواد DAC هو التطعيم. التطعيم طريقة يتم من خلالها تثبيت الأمينات على ركيزة السيليكا المسامية من خلال تفاعل كيميائي، كما هو موضح في الشكل 2. يستمر هذا التفاعل عن طريق تفاعل أمينوسيلان مع مجموعة السيلانول الوظيفية للسطح ، مما ينتج عنه رابطة تساهمية. لذلك ، يؤثر عدد المجموعات الوظيفية على سطح ركيزة السيليكا على كثافة الأمين المطعمة21,22. بالمقارنة مع الممتزات المشبعة بالأمينات ، كان لطرق التطعيم الكيميائي قدرة امتصاص أقل لثاني أكسيد الكربون2 ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض تحميل الأمين21. على العكس من ذلك ، زادت الأمينات المطعمة كيميائيا من الاستقرار الحراري بسبب هيكلها المرتبط تساهميا. يمكن أن يكون هذا الاستقرار مفيدا في تجديد المادة حيث يتم تسخين المواد الممتزة (مثل السيليكا المطعمة) وضغطها لإزالة ثاني أكسيد الكربون2 الملتقط لإعادة استخدامه لتوفير المواد والتكلفة. في إجراء تخليق نموذجي ، يتم تشتيت ركيزة السيليكا المسامية في مذيب (على سبيل المثال ، التولوين اللامائي) ، والذي يتبعه بعد ذلك إضافة أمينوسيلان. ثم يتم غسل العينة الناتجة لإزالة الأمينوسيلان غير المتفاعلة. تم الإبلاغ عن تحسينات في كثافة أمينوسيلان من خلال إضافة الماء ، وتحديدا مع SBA-15 ، لتوسيع حجم المسام23. يستخدم إجراء التطعيم الذي سيتم وصفه هنا تقنيات حساسة للرطوبة. لذلك ، لن يتم استخدام مياه إضافية. يعد تنفيذ مواد أمينوسيلان المطعمة ل DAC واعدا بسبب ثباتها المتوقع أثناء عمليات امتصاص وامتصاص ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك ، فإن العيوب الرئيسية لهذه المنهجية تشمل التفاعلات / التحضير المعقد لهذه المواد ، مما يؤدي إلى زيادة التكلفة ، وقدرتها الإجمالية المنخفضة على امتصاص CO2 ، مما يعني أن هناك حاجة إلى كميات أكبر.
بشكل عام ، تشير نتائج العديد من الدراسات السابقة إلى أن بنية الركيزة والتعديل المرتبط بالأمين له تأثير كبير على أداء الامتزاز مع دراسات محددة تستخدم تقنيات مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتشتت النيوترونات شبه المرنة (QENS) لتوصيف هذه المواد بشكل كامل24,25. بمعنى آخر ، تحدد الخصائص الهيكلية (على سبيل المثال ، المسامية ومساحة السطح) لمادة الركيزة تحميل الأمين ، لذا فإن زيادة هذه المعلمات يمكن أن تحسن قدرة CO2 24,25. يعد البحث المستمر في تحسين وتصميم مواد الركيزة وعمليات التحضير أمرا بالغ الأهمية لتطوير الممتزات عالية الأداء ل DAC. الهدف من هذا العمل هو توفير إرشادات حول التشريب وتخليق الأمين المطعمة على أمل تسهيل شفافية أفضل للتقنيات الاصطناعية. في الأدبيات ، لا يتم دائما وصف تفاصيل محددة عن كميات المذيبات والركيزة والأمينات ، مما يجعل من الصعب فهم العلاقة بين كميات التحميل التجريبية والقياسات الكمية لمركبات الأمين والسيليكا. سيتم توفير كميات التحميل الدقيقة ووصف مفصل للإجراءات التجريبية هنا لتسهيل هذه الأنواع من المقارنات بشكل أفضل.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Anhydrous methanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>322415</td>
			<td>Does not come with sure-seal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrous toluene</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>244511</td>
			<td>Comes with sure-seal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic Stirring Hot Plate</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>The size, watage, and thermal capabilities of the stirr plate will differ depending on individual lab facilities.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)&#160;</td>
			<td>Nicolet i550 series spectrometer</td>
			<td>NA</td>
			<td>Run on OMNIC standard software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gastight syringe&#160;</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>As long as the gas tight syringe has a PTFE plunger and luer tip, is suited for air sensitive technique and can be used in this protocol.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass vial</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA&#160;</td>
			<td>As long as the vial is made if borosilicate glass and has a screw based cap the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MCM-41 silica</td>
			<td>ACS Material&#160;</td>
			<td>MSM41A01&#160;</td>
			<td>Cas no. 7631-86-9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal needle</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Syringe needles need to be stainless steel. It is recommended to determine length and outerdiameter of needle by what will be transferred using the gas tight syringe. For large quantities of liquid a larger outer diameter will improve transfer rates.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N&#8217;-(3-trimethylsilyl propyl) diethyleneamine (DAS)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>104884</td>
			<td>Comes with sure-seal&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethyleneimine (PEI)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>408719</td>
			<td>Does not come with sure-seal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Schlenk round bottom flask</td>
			<td>ChemGlass AirFree</td>
			<td>NA</td>
			<td>As long as the flask is suited for high pressure and temperture but the brand name, size, or general shape does not matter for the protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermogravemetric Anlysis (TGA)&#160;</td>
			<td>TA Advantage</td>
			<td>NA</td>
			<td>550 series from Waters and TA Instruments</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a synthetic methodology for preparing impregnated and grafted amine-based silica composites for carbon capture

في الآونة الأخيرة ، كان هناك جهد كبير نحو تقليل أو تخفيف انبعاثات CO2 من خلال استخدام مواد احتجاز الكربون لمصدر النقطة أو طرق التقاط الهواء المباشر (DAC). يركز هذا العمل على الممتزات CO2 الوظيفية بالأمين ل DAC. هذه المواد تبشر بالخير لإزالة CO2 لأنها تتمتع باستهلاك منخفض للطاقة المتجددة وقدرة امتصاص عالية. يجمع دمج أنواع الأمين في ركيزة مسامية بين مزايا تقارب أنواع الأمين مع CO2 مع أحجام المسام الكبيرة ومساحات سطح الركيزة المسامية. هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام لإعداد المواد الماصة CO2 القائمة على الأمين ، اعتمادا على اختيار أنواع الأمين ، والدعم المادي ، وطريقة التحضير. هذه الطرق هي التشريب أو التطعيم أو التخليق الكيميائي. السيليكا هي الخيار السائد لمواد الركيزة بسبب حجم المسام القابل للتعديل ، وتحمل الرطوبة ، واستقرار درجة الحرارة ، والقدرة على امتصاص CO2 بتركيزات منخفضة لتطبيقات DAC. يتم وصف الإجراءات الاصطناعية النموذجية والسمات الأولية لكل من مركبات الأمين والسيليكا المشربة والمطعمة هنا.

The anthropogenic CO2 emissions over the past several decades have been widely implicated as the main factor driving the greenhouse gas effect and consequently, related climate change1,2,3,4. There are two general methods for CO2 capture, point source and direct air capture. For more than 50 years, wet-scrubbing CO2 capture technologies have been utilized for point source capture within the industry to mitigate CO2 emissions5,6. These technologies are based on liquid-phase amines that react with CO2 to form carbamates under dry conditions and hydrogen carbonates in the presence of water7,8, see Figure 1. The main reason that carbon capture and storage is utilized at large point (industrial) sources is to prevent the further release of large quantities of CO2, thus having a neutral effect on total CO2 concentration in the atmosphere. However, point-source carbon capture systems suffer from several drawbacks, such as equipment corrosion, solvent degradation, and high energy requirements for regeneration9. Direct air capture (DAC) goes beyond emission reduction and can facilitate the removal of CO2 from the atmosphere. The removal of this existing CO2 is necessary to limit continued climate change. DAC is an emerging methodology and must address the difficulties of removing low concentrations of CO2 in atmospheric conditions (400 to 420 ppm), operate in a variety of different environmental conditions, and address the need for cost-effective materials that can be reused many times1,2,3. Significant work is needed to identify materials that meet these requirements, which will accelerate the adoption of DAC and improve its economic feasibility. Most importantly, community consensus on critical parameters of measurement needs to be established, which is essential for benchmark materials to be developed.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig01.jpg" /> 
Figure 1: Schematic of the expected liquid amine adsorbent CO2 capture mechanism. The top reaction is in dry conditions, and the bottom reaction is in the presence of moisture. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
In an effort to remedy these drawbacks, considerable research and development of novel porous material technology have resulted in a wide array of promising materials that have the potential to be utilized as either capture materials or substrates for DAC. Some examples of such materials include mesoporous silica species10,11,12,13, zeolites14,15, activated carbon16,17, and metal-organic frameworks18. Many solid-supported amine adsorbents also show a higher tolerance to water, which is a vital consideration in CO2 removal through DAC approaches. For DAC applications, researchers must consider wet/dry environmental conditions, hot/cold temperatures, and an overall dilute atmospheric CO2 concentration. Amongst the various substrate materials, silica is commonly used because of its adjustable pore sizes, ability to surface functionalize, and large surface area1,2,3. Typical synthetic procedures and primary features of both impregnated and grafted amine-silica composites are described within this work (Figure 2). Direct synthesis, where the material is made in situ with both components, substrate and amine, is another commonly used methodology2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig02.jpg" /> 
Figure 2: Schematic representations of impregnation. Mixing of PEI and silica substrate in methanol through diffusion (top) and grafted amine-silica composites through covalent tethering (bottom). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig02large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
Impregnation&#160;is a method in which an amine is physically adsorbed onto a surface, in this case, a porous silica medium, through van der Waals forces and hydrogen bonding between the amine and silica surface19,&#160;see Figure 2. Solvents such as ethanol and methanol are commonly used to promote the diffusion of the molecules into the porous structure of the substrate material. The solution can also be heated to increase the solubility of the high molar mass polyamines, thereby increasing the homogeneity of amine penetration within the pores. In the case of impregnated materials, the amount of amine introduced to a silica substrate is determined by the initial quantity of the amine and the surface area of the substrate. If the amount of amine introduced exceeds the available surface area of the silica substrate, the amine species will agglomerate on its surface. This agglomeration is readily apparent, as the impregnated material will appear to have a gel-like coating, often yellow, rather than the expected white and powdery appearance1. Among the many types of amine-base solid adsorbents, polyethyleneimine (PEI) and tetraethylene pentamine (TEPA) are the most widely used due to their high stability and high nitrogen content20. For physically impregnated systems, the theoretical loading quantity of amine can be calculated from the pre-weighted amounts of the substrate and the density of the amine. The obvious advantage of physical impregnation lies in the straightforward synthesis procedure to prepare it, as well as the potential for a large amine content due to the high porosity of the silica substrate. Conversely, the stability of the amine within the silica is limited because there is no covalent bonding between the amine and silica support. Therefore, after multiple cycles of CO2 uptake and regeneration through heat or steam, the amine can leach out of the pores. Despite these drawbacks, the implementation of such materials for DAC holds great promise for removing CO2 from the atmosphere.
Another option for the preparation of DAC materials is grafting. Grafting is a method through which amines are immobilized onto a porous silica substrate through a chemical reaction, as shown in Figure 2. This reaction proceeds by reacting an aminosilane with the surface&#39;s silanol functional group, resulting in a covalent bond. Therefore, the number of functional groups on the surface of the silica substrate impacts the grafted amine density21,22. Compared to amine-impregnated adsorbents, chemical grafting methods have had lower CO2 adsorption capacity mainly due to the low amine loading21. Conversely, chemically-grafted amines have increased thermal stability due to their covalently bound structure. This stability can be useful in the regeneration of the material as adsorbents (such as grafted silica) are heated and pressurized to remove the captured CO2 for reuse to save material and cost. In a typical synthesis procedure, the mesoporous silica substrate is dispersed in a solvent (e.g., anhydrous toluene), which is then followed by the addition of aminosilanes. The resulting sample is then washed to remove unreacted aminosilanes. Improvements in aminosilane density are reported to have been achieved through water addition, specifically with SBA-15, to expand pore size23. The procedure for grafting that will be described herein uses moisture-sensitive techniques. Therefore, additional water will not be used. Implementation of grafted aminosilane materials for DAC is promising due to their expected stability during CO2 adsorption and desorption processes. However, the major drawbacks of this methodology include the complex reactions/preparation of these materials, leading to increased cost, and their overall low CO2 adsorption capacity, meaning larger quantities are required.
Overall, results of many previous studies indicate that the structure of the substrate and amine-related modification has a significant impact on the adsorption performance with specific studies utilizing techniques such as transmission electron microscopy (TEM) and quasi-elastic neutron scattering (QENS) to fully characterize these materials24,25. In other words, the structural properties (e.g., porosity and surface area) of the substrate material determine the amine loading, so increasing these parameters can improve CO2 capacity24,25. Continued research into the optimization and design of substrate materials and preparation processes is critical to the development of high-performance adsorbents for DAC. The goal of this work is to provide guidance on impregnation and grafted amine synthesis in hopes of facilitating better transparency of synthetic techniques. Within the literature, specific details on the amounts of solvent, substrate, and amines are not always described, making it difficult to understand the correlation between experimental loading amounts and quantitative measurements of amine-silica composites. The exact loading amounts and a detailed description of the experimental procedures will be provided herein to better facilitate these types of comparisons.

تسليط الضوء على المؤلف: توحيد تطوير مركبات السيليكا القائمة على الأمين كمواد ماصة CO2 لالتقاط الهواء المباشر 

منهجية اصطناعية لتحضير مركبات السيليكا القائمة على الأمين المشربة والمطعمة لالتقاط الكربون

Scientists here at NIST are developing critical measurement science and benchmark materials to accelerate innovation and explore timely, effective, and scalable direct air capture, or DAC, for carbon-dioxide removal from the atmosphere. This work focuses on promoting best practices for preparation, measurement, and reporting of amine-functionalized silica composites for DAC applications. This protocol addresses outstanding research challenges and reproducible synthetic procedures for DAC materials by providing clear guidelines and conditions while identifying critical steps.In addition, we aim to enable a meaningful comparison of carbon-dioxide capabilities of these materials through clear documentation of specific adsorption experimental parameters. We are turning our efforts towards characterizing benchmark materials and developing standard techniques to foster greater comparability and confidence in reported results.

يستخدم التحليل الحراري الوزني (TGA) بشكل شائع لتحديد كمية الأمين المحملة أو المطعمة على سطح السيليكا لهذه المواد. تظهر منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) التي تم الحصول عليها فقدانا للمذيب المتبقي والماء بين 60 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية، وهو ما يظهر في منحنى وزن المشتق (الوزن٪ / درجة مئوية) ...

Watch this Scientific Journal Video about Standardizing the Development of Amine-Based Silica Composites as CO2 Adsorbents for Direct Air Capture at JoVE.com

يهدف هذا العمل إلى تسهيل تطوير تقنيات موحدة لتشريب أو تطعيم المركبات الأمينية على ركائز السيليكا ، والتي غالبا ما يتم وصفها على نطاق واسع في الأدبيات. ستتم مناقشة كميات محددة من المذيبات والركيزة والأمينات وقيم المعلمات التجريبية المهمة الأخرى بالتفصيل.

Recently, there has been a significant effort towards reducing or mitigating CO2 emissions through the use of carbon capture materials for point source or ...

يقوم العلماء هنا في NIST بتطوير علوم القياس الهامة والمواد المعيارية لتسريع الابتكار واستكشاف التقاط الهواء المباشر في الوقت المناسب والفعال والقابل للتطوير ، أو DAC ، لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. ويركز هذا العمل على تعزيز أفضل الممارسات لإعداد مركبات السيليكا الوظيفية بالأمين وقياسها والإبلاغ عنها من أجل تطبيقات المساعدة الإنمائية. يعالج هذا البروتوكول تحديات البحث البارزة والإجراءات التركيبية القابلة للتكرار لمواد DAC من خلال توفير إرشادات وشروط واضحة مع تحديد الخطوات الحاسمة.بالإضافة إلى ذلك ، نهدف إلى تمكين مقارنة ذات مغزى لقدرات ثاني أكسيد الكربون لهذه المواد من خلال توثيق واضح لمعلمات تجريبية محددة للامتزاز. ونحن نوجه جهودنا نحو توصيف المواد المرجعية وتطوير تقنيات موحدة لتعزيز قدر أكبر من المقارنة والثقة في النتائج المبلغ عنها.

a-synthetic-methodology-for-preparing-impregnated-grafted-amine-based

Research

JoVE Journal

Chemistry

A Synthetic Methodology for Preparing Impregnated and Grafted Amine-Based Silica Composites for Carbon Capture

1.5K Views.  National Institute of Standards and Technology (NIST). يقوم العلماء هنا في NIST بتطوير علوم القياس الهامة والمواد المعيارية لتسريع الابتكار واستكشاف التقاط الهواء المباشر في الوقت المناسب والفعال والقابل للتطوير ، أو DAC ، لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. ويركز هذا العمل على تعزيز أفضل الممارسات لإعداد مركبات السيليكا...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: توحيد تطوير مركبات السيليكا القائمة على الأمين كمواد ماصة CO2 لالتقاط الهواء المباشر 

Recently, there has been a significant effort towards reducing or mitigating CO2 emissions through the use of carbon capture materials for point source or direct air capture (DAC) methods. This work focuses on amine-functionalized CO2 adsorbents for DAC. These materials show promise for CO2 removal because they have low regeneration energy consumption and high adsorption capacity. The incorporation of amine species into a porous substrate combines the advantages of the amine species&#39; affinity to CO2 with the large pore volumes and surface areas of the porous substrate. There are three methods commonly used to prepare amine-based CO2 sorbents, depending on the selection of the amine species, material support, and preparation method. These methods are impregnation, grafting, or chemical synthesis. Silica is a prevalent choice of substrate material because of its adjustable pore size, moisture tolerance, temperature stability, and ability to adsorb CO2 in low concentrations for DAC applications. Typical synthetic procedures and primary attributes of both impregnated and grafted amine-silica composites are described herein.

This work aims to facilitate the development of standardized techniques for impregnating or grafting aminated compounds onto silica substrates, which are often broadly described in the literature. Specific amounts of solvent, substrate, amines, and the values of other important experimental parameters will be discussed in detail.

﻿Impregnation of Silica with Polyethyleneimine (PEI 800)

Impregnation of Silica with Polyethyleneimine (PEI 800)  

To begin, place all required glassware in an oven at 140 degrees Celsius for at least one hour prior to use. For the impregnation of silica with PEI 800, first calculate the mass fraction of the amine required. Then take the desired amount of MCM-41 silica in a glass Petri dish and cover it with punctured aluminum foil.After placing the covered dish in a vacuum oven, apply the vacuum. Then set the oven to a temperature of 110 degrees Celsius and leave it for a minimum of two hours to ensure complete drying of the silica. To prepare for the synthesis, using a clean, dry laboratory spatula, transfer the desired amount of PEI into the reaction vessel.After capping the vessel, transfer it to a chemical fume hood and place it over a stir plate while clamping it securely. Once set, remove the lid of the reaction vessel and place a clean, dry stir bar into it. Using a pipette, transfer the desired amount of anhydrous methanol to the vessel from a graduated cylinder.Stir the reaction mixture for 15 minutes to ensure the PEI is dissolved and dispersed in the solvent homogeneously. Next, using a clean, dry laboratory spatula, transfer the desired amount of silica that was dried in the oven onto weighing paper and add it to the PEI solution in the reaction vessel inside the fume hood. If needed, add additional methanol to rinse any residual silica from the vessel wall into the PEI solution.Place the vessel in a heating block at 40 to 50 degrees Celsius to load the amine into the porous silica. Let the solution undergo stirring for about one hour while ensuring the stir bar is evenly mixing the solution. After that, remove the reaction vessel from the heat source and while still stirring, allow it to cool to room temperature.When fully cooled, stop the stirring to remove the stir bar. Connect the vessel containing the sample to the vacuum on a Schlenk line. Let the reaction vessel remain on the Schlenk line until all solvent is visibly removed, then transfer the sample to a different storage container of choice, such as a glass Petri dish.After placing the sample in a vacuum oven, turn on the vacuum. Allow the sample to dry under the vacuum at 70 degrees Celsius for at least 18 hours. Store the resultant white powdery material in a moisture-free, air-free environment until needed for further use.

تشريب السيليكا بالبولي إيثيلين (PEI 800)

Preparation of Wet Grafted Silica with N’-(3-Trimethylsilyl Propyl) Diethyleneamine (DAS)

Preparation of Wet Grafted Silica with N&amp;#8217;-(3-Trimethylsilyl Propyl) Diethyleneamine (DAS)  

To begin dry all glassware in the oven for at least two hours before use. To ensure a moisture free surface. Store the aminosilane DAS within a septum capped lid bottle.Consider the appropriate DAS loading to increase the probability of the aminosilane. Locating the silanol groups on the silica for covalent bonding. Add the desired amount of silica support in a round bottom Schlenk flask equipped with a magnetic stir bar.And insert a rubber septum into the reaction vessel before removing air and moisture from the vessel connected to the Schlenk line. First open the reaction vessel's stopcock to connect it to the vacuum for about 30 seconds. Then close the stopcock, switching to an inert gas supply for another 30 seconds.Insert a line of inert gas into the septum capped lid bottle containing anhydrous toluene. Use a gas tight syringe to draw the desired amount of toluene and purge the syringe with inert gas. Before removing the solvent from the bottle, ensure the magnetic stir bar inside the reaction vessel is stirring smoothly, and puncture the septum on the reaction vessel with the gas tight syringe containing the anhydrous toluene, and transfer the toluene into the vessel.After removing the inert gas needle from the toluene, change the needle head. Then, as demonstrated previously, transfer the desired amount of DAS to the reaction vessel. Use an adapter to attach a line from the Schlenk apparatus to a water condenser with the help of vacuum grease.Wrap the bottom of the condenser apparatus with polytetrafluoroethylene or PTFE tape, and attach a septum to the bottom of the condenser. After subjecting the line to vacuum and inert gas cycle three times, attach the condenser apparatus to the round bottom Schlenk flask. Then attach the cold water lines to the water condenser and turn on the water circulation.Lower the reaction vessel into a silicone oil bath at a temperature of 80 to 100 degrees Celsius. Close the stopcock to the inert gas on the round bottom Schlenk flask, and leave the stopcock on the condenser open. Stir the reaction while heating for six hours.After that cool the reaction vessel to room temperature. Next, connect the Erlenmeyer filer flask to the vacuum via a hose. Place a rubber bung at the opening before placing a Buchner funnel on top of the rubber bung.After placing a filter within the Buchner funnel, wet the filter with anhydrous toluene. Switch on the vacuum before quickly dispensing the solution onto the filter to collect the solid grafted amine silica on filter paper. Rinse the collected material three times with about 10 milliliters of anhydrous toluene.Using a clean, dry laboratory spatula, transfer the white grafted silane material from the filter paper to a vial. After covering the vial with punctured aluminum foil, place it in a vacuum oven and turn on the vacuum. Set the oven to about 100 degrees Celsius.And allow to dry for approximately 18 hours to remove excess toluene.