Una metodologia sintetica per la preparazione di compositi di silice a base di ammine impregnati e innestati per la cattura del carbonio

Riepilogo

Questo lavoro ha lo scopo di facilitare lo sviluppo di tecniche standardizzate per l'impregnazione o l'innesto di composti aminati su substrati di silice, che sono spesso ampiamente descritte in letteratura. Verranno discusse in dettaglio le quantità specifiche di solvente, substrato, ammine e i valori di altri importanti parametri sperimentali.

Abstract

Recentemente, c'è stato uno sforzo significativo verso la riduzione o la mitigazione delle emissioni di CO₂ attraverso l'uso di materiali di cattura del carbonio per metodi di cattura puntuale o diretta dell'aria (DAC). Questo lavoro si concentra sugli adsorbenti di CO₂ funzionalizzati con ammine per DAC. Questi materiali sono promettenti per la rimozione della CO₂ perché hanno un basso consumo di energia di rigenerazione e un'elevata capacità di adsorbimento. L'incorporazione di specie amminiche in un substrato poroso combina i vantaggi dell'affinità delle specie amminiche con la CO₂ con i grandi volumi dei pori e le aree superficiali del substrato poroso. Esistono tre metodi comunemente utilizzati per preparare i sorbenti di CO₂ a base amminica, a seconda della selezione della specie amminica e del supporto materiale e del metodo di preparazione. Questi metodi sono l'impregnazione, l'innesto o la sintesi chimica. La silice è una scelta prevalente di materiale di substrato grazie alla sua dimensione dei pori regolabile, alla tolleranza all'umidità, alla stabilità della temperatura e alla capacità di adsorbire la CO₂ a basse concentrazioni per le applicazioni DAC. Di seguito sono descritte le procedure sintetiche tipiche e le caratteristiche primarie dei compositi ammina-silice sia impregnati che innestati.

Introduzione

Le emissioni antropogeniche di CO 2 negli ultimi decenni sono state ampiamente implicate come il principale fattore che guida l'effetto serra e, di conseguenza, il cambiamento climatico^correlato 1,2,3,4. Esistono due metodi generali per la cattura della CO₂, la sorgente puntiforme e la cattura diretta dell'aria. Per più di 50 anni, le tecnologie di cattura della CO 2 a umido sono state utilizzate per la cattura di fonti puntuali all'interno dell'industria per mitigare le emissioni di CO₂ ^5,6

Protocollo

NOTA: I dettagli relativi all'apparecchiatura, alla strumentazione e ai prodotti chimici utilizzati in questa sezione sono disponibili nella Tabella dei materiali.

1. Impregnazione di silice con polietilenimmina di massa molare di 800 g/mol (PEI 800)

1. Preparazione della reazione
   1. Utilizzare metanolo anidro come solvente in questa reazione. Ha un basso punto di ebollizione; Pertanto, la sua volatilità facilita la sua successiva rimozione a temperature più basse.
      NOTA: Il solvente anidro è importante perché l'acqua può impedire al PEI 800 di entrare nei pori del supporto in silice. Un altro ....

Discussione

I metodi qui descritti hanno lo scopo di fornire un protocollo per la preparazione di adsorbenti compositi di silice amminica impregnati e innestati. Le procedure che abbiamo documentato si basano sulla revisione delle tecniche riportate in letteratura e di quelle affinate nel nostro laboratorio. ^1,2,3. La preparazione di questi materiali è utile nel campo della ricerca sulla rimozione dell'anidride carbonica per sviluppare o c.......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Anhydrous methanol	Sigma-Aldrich	322415	Does not come with sure-seal
Anhydrous toluene	Sigma-Aldrich	244511	Comes with sure-seal
Ceramic Stirring Hot Plate	NA	NA	The size, watage, and thermal capabilities of the stirr plate will differ depending on individual lab facilities.
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)	Nicolet i550 series spectrometer	NA	Run on OMNIC standard software
Gastight syringe	NA	NA	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.
Glass vial	NA	NA	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.
MCM-41 silica	ACS Material	MSM41A01	Cas no. 7631-86-9
Metal needle	NA	NA	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.
N’-(3-trimethylsilyl propyl) diethyleneamine (DAS)	Sigma-Aldrich	104884	Comes with sure-seal
Polyethyleneimine (PEI)	Sigma-Aldrich	408719	Does not come with sure-seal
Schlenk round bottom flask	ChemGlass AirFree	NA	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
Thermogravemetric Anlysis (TGA)	TA Advantage	NA	550 series from Waters and TA Instruments