Charlotte M. Wentz는 NIST Award # 70NANB8H165를 통한 자금 지원에 감사드립니다. Zois Tsinas는 NIST Award # 70NANB22H140을 통한 자금 지원에 감사드립니다.

실리카 기질에 아미네이트된 화합물의 함침 및 이식

<ol>
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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. 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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>

모든 저자는 상충되는 이해 상충을 공개하지 않습니다. 이 문서에 사용된 절차에 대한 전체 설명은 특정 상용 제품 및 해당 공급업체를 식별해야 합니다. 이러한 정보의 포함은 해당 제품 또는 공급업체가 NIST에서 보증하거나 NIST에서 권장하거나 설명된 목적에 가장 적합한 재료, 도구, 소프트웨어 또는 공급업체임을 나타내는 것으로 해석되어서는 안 됩니다.

본원에 기재된 방법은 함침 및 접목된 아민 실리카-복합체 흡착제를 제조하기 위한 프로토콜을 제공하기 위한 것이다. 우리가 문서화한 절차는 문헌에 보고된 기술과 실험실에서 정제된 기술을 검토한 것을 기반으로 합니다. 1,2,3입니다. 이러한 물질의 준비는 이산화탄소 제거 연구 분야에서 대기(직접 공기 포집) 또는 산업 ?...

지난 수십 년 동안 인위적인CO2 배출은 온실 가스 효과와 관련 기후 변화를 주도하는 주요 요인으로 널리 연루되어 있습니다 1,2,3,4. CO2 포집에는 포인트 소스와 직접 공기 포집의 두 가지 일반적인 방법이 있습니다. 50년 이상 동안 습식 스크러빙 CO2 포집 기술은CO2 배출을 완화하기 위해 업계 내에서 포인트 소스 포집에 활용되어 왔습니다 5,6. 이러한 기술은CO2와 반응하여 건조한 조건에서 카바메이트를 형성하고 물 7,8이 있는 상태에서 탄산수소를 형성하는 액상 아민을 기반으로 합니다(그림 1 참조). 탄소 포집 및 저장이 대규모(산업용) 공급원에서 활용되는 주된 이유는 다량의 CO2가 추가로 방출되는 것을 방지하여 대기 중 총CO2 농도에 중성적인 영향을 미치기 위함입니다. 그러나 점오염원 탄소 포집 시스템은 장비 부식, 용매 분해 및 재생을 위한 높은 에너지 요구 사항과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있다9. 직접 공기 포집(DAC)은 배출 감소를 넘어 대기에서CO2 제거를 용이하게 할 수 있습니다. 이 기존CO2의 제거는 지속적인 기후 변화를 제한하는 데 필요합니다. DAC는 새로운 방법론이며 대기 조건(400-420ppm)에서 저농도의CO2를 제거하는 어려움을 해결하고, 다양한 환경 조건에서 작동하며, 여러 번 재사용할 수 있는 비용 효율적인 재료에 대한 요구를 해결해야 합니다 1,2,3. 이러한 요구 사항을 충족하는 재료를 식별하기 위해서는 상당한 작업이 필요하며, 이를 통해 DAC의 채택을 가속화하고 경제적 타당성을 개선할 수 있습니다. 가장 중요한 것은 측정의 중요한 매개변수에 대한 커뮤니티 합의가 이루어져야 하며, 이는 벤치마크 자료를 개발하는 데 필수적입니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig01.jpg"> 그림 1: 예상되는 액체 아민 흡착제CO2 포획 메커니즘의 개략도. 상부 반응은 건조한 조건에서, 하부 반응은 수분이 있는 상태에서 이루어집니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
이러한 단점을 해결하기 위한 노력의 일환으로, 새로운 다공성 재료 기술에 대한 상당한 연구 개발로 인해 DAC용 포획 재료 또는 기판으로 활용될 수 있는 다양한 유망한 재료가 탄생했습니다. 이러한 물질의 몇 가지 예로는 메조다공성 실리카 종(10,11,12,13), 제올라이트(14,15), 활성탄 16,17 및 금속-유기 프레임워크(18)가 있다. 또한 많은 고체 지지 아민 흡착제는 물에 대한 내성이 더 높으며, 이는 DAC 접근 방식을 통한CO2 제거에서 중요한 고려 사항입니다. DAC 응용 분야의 경우 연구원은 습식/건식 환경 조건, 고온/저온 온도 및 전체 희석 대기 중CO2 농도를 고려해야 합니다. 다양한 기판 재료 중에서 실리카는 조정 가능한 기공 크기, 표면 기능화 능력 및 넓은 표면적 1,2,3 때문에 일반적으로 사용됩니다. 함침 및 접목된 아민-실리카 복합재의 일반적인 합성 절차와 주요 특징이 이 작업에 설명되어 있습니다(그림 2). 재료가 기판과 아민이라는 두 가지 구성 요소와 함께 제자리에서 만들어지는 직접 합성은 일반적으로 사용되는 또 다른 방법론입니다2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig02.jpg"> 그림 2: 함침의 개략도. 확산을 통한 메탄올의 PEI와 실리카 기질의 혼합(위)과 공유 결합을 통한 접목된 아민-실리카 복합재(아래). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
함침은 반 데르 발스 힘과 아민과 실리카 표면사이의 수소 결합을 통해 아민이 표면(이 경우 다공성 실리카 배지)에 물리적으로 흡착되는 방법입니다( 그림 2 참조). 에탄올 및 메탄올과 같은 용매는 일반적으로 기판 재료의 다공성 구조로 분자의 확산을 촉진하는 데 사용됩니다. 용액을 가열하여 고몰 질량 폴리아민의 용해도를 증가시켜 기공 내 아민 침투의 균질성을 높일 수도 있습니다. 함침 물질의 경우, 실리카 기판에 도입되는 아민의 양은 아민의 초기 양과 기판의 표면적에 의해 결정됩니다. 도입된 아민의 양이 실리카 기판의 사용 가능한 표면적을 초과하면 아민 종이 표면에 응집됩니다. 이러한 응집은 함침된 물질이 예상되는 흰색 및 분말 모양이 아닌 종종 노란색인 겔 모양의 코팅을 갖는 것처럼 보이기 때문에 쉽게 알 수 있다1. 많은 유형의 아민계 고체 흡착제 중에서 폴리에틸렌이민(PEI)과 테트라에틸렌 펜타민(TEPA)은 높은 안정성과 높은 질소 함량으로 인해 가장 널리 사용됩니다20. 물리적으로 함침된 시스템의 경우 아민의 이론적 부하량은 기판의 사전 가중된 양과 아민의 밀도로부터 계산할 수 있습니다. 물리적 함침의 명백한 장점은 이를 제조하기 위한 간단한 합성 절차와 실리카 기판의 높은 다공성으로 인해 아민 함량이 클 가능성에 있습니다. 반대로, 실리카 내 아민의 안정성은 아민과 실리카 지지체 사이에 공유 결합이 없기 때문에 제한됩니다. 따라서 열이나 증기를 통한CO2 흡수 및 재생의 여러 주기 후에 아민이 모공에서 침출될 수 있습니다. 이러한 단점에도 불구하고 DAC에 이러한 재료를 구현하면 대기에서 CO2 를 제거 할 수 있습니다.
DAC 재료 준비를 위한 또 다른 옵션은 접목입니다. 그라프팅은 그림 2와 같이 화학 반응을 통해 다공성 실리카 기판에 아민을 고정시키는 방법입니다. 이 반응은 아미노실란을 표면의 실라놀 작용기와 반응시켜 공유 결합을 형성함으로써 진행됩니다. 그러므로, 실리카 기질의 표면상의 작용기의 수는 접목된 아민 밀도21,22에 영향을 미친다. 아민 함침 흡착제와 비교하여, 화학적 그라프팅 방법은 주로 낮은 아민 로딩21로 인해CO2 흡착 능력이 낮았다. 반대로, 화학적으로 접목된 아민은 공유 결합 구조로 인해 열 안정성이 증가합니다. 이러한 안정성은 흡착제(예: 접목된 실리카)를 가열하고 가압하여 포집된CO2를 제거하여 재사용하여 재료와 비용을 절약할 때 재료의 재생에 유용할 수 있습니다. 전형적인 합성 절차에서, 메조다공성 실리카 기질은 용매(예를 들어, 무수 톨루엔)에 분산되고, 이어서 아미노실란이 첨가된다. 생성된 샘플은 그런 다음 세척하여 미반응 아미노실란을 제거합니다. 아미노실란 밀도의 개선은 특히 SBA-15를 사용하여 공극 크기23을 확장하기 위해 물을 첨가함으로써 달성된 것으로 보고되었습니다. 본원에서 설명될 그라프팅 절차는 수분에 민감한 기술을 사용한다. 따라서 추가 물은 사용되지 않습니다. DAC용 접목된 아미노실란 재료의 구현은CO2 흡착 및 탈착 공정 중에 예상되는 안정성으로 인해 유망합니다. 그러나 이 방법론의 주요 단점은 이러한 물질의 복잡한 반응/준비로 인해 비용이 증가하고 전반적으로CO2 흡착 용량이 낮아 더 많은 양이 필요하다는 것입니다.
전반적으로, 많은 이전 연구의 결과는 이러한 물질을 완전히 특성화하기 위해 투과 전자 현미경 (TEM) 및 준탄성 중성자 산란 (QENS)과 같은 기술을 활용하는 특정 연구와 함께 기판의 구조 및 아민 관련 변형이 흡착 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다24,25. 다시 말하면, 기판 재료의 구조적 특성(예를 들어, 다공성 및 표면적)이 아민 부하를 결정하므로, 이러한 파라미터를 증가시키면CO2 용량(24,25)을 향상시킬 수 있다. 기판 재료 및 준비 공정의 최적화 및 설계에 대한 지속적인 연구는 DAC용 고성능 흡착제 개발에 매우 중요합니다. 이 연구의 목표는 합성 기술의 투명성을 높이기 위해 함침 및 접목된 아민 합성에 대한 지침을 제공하는 것입니다. 문헌 내에서 용매, 기판 및 아민의 양에 대한 구체적인 세부 사항이 항상 설명되는 것은 아니므로 실험 부하량과 아민-실리카 복합재의 정량적 측정 간의 상관 관계를 이해하기 어렵습니다. 정확한 로딩량 및 실험 절차에 대한 상세한 설명은 이러한 유형의 비교를 보다 용이하게 하기 위해 본 명세서에 제공될 것이다.

<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

최근에는 점오염원 또는 직접 공기 포집(DAC) 방법에 탄소 포집 재료를 사용하여CO2 배출을 줄이거나 완화하기 위한 상당한 노력이 있었습니다. 이 연구는 DAC용 아민 기능성CO2 흡착제에 중점을 둡니다. 이러한 물질은 재생 에너지 소비가 적고 흡착 능력이 높기 때문에CO2 제거에 대한 가능성을 보여줍니다. 다공성 기판에 아민 종을 통합하면 CO2 에 대한 아민 종의 친화력의 장점과 다공성 기판의 큰 공극 부피 및 표면적이 결합됩니다. 아민 종의 선택, 재료 지지체 및 제조 방법에 따라 아민계CO2 흡착제를 제조하는 데 일반적으로 사용되는 세 가지 방법이 있습니다. 이러한 방법은 함침, 접목 또는 화학 합성입니다. 실리카는 조정 가능한 공극 크기, 내습성, 온도 안정성 및 DAC 응용 분야에서 낮은 농도의CO2 를 흡착하는 능력 때문에 기판 재료의 일반적인 선택입니다. 함침 및 접목된 아민-실리카 복합재의 전형적인 합성 절차 및 주요 속성이 본원에 기재되어 있다.

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.

저자 스포트라이트: 직접 공기 포집을 위한 CO2 흡착제로서의 아민 기반 실리카 복합재 개발 표준화 

탄소 포집을 위한 함침 및 접목된 아민 기반 실리카 복합재를 제조하기 위한 합성 방법론

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.

TGA는 일반적으로 이러한 물질의 실리카 표면에 로드되거나 접목된 아민의 양을 정량화하는 데 사용됩니다. 얻어진 TGA 곡선은 60°C에서 100°C 사이의 잔류 용매 및 물의 손실을 보여주며, 이는 유도체 중량(중량 %/°C) 곡선에서 첫 번째 피크로 표시되고, 아민의 손실은 유도체 중량 곡선(중량 %/°C)에서 두 번째 피크로 표시됩니다. PEI 함침 실리카의 경우 이러한 아민 손실은 유도체 중량 곡선의 두 번?...

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이 작업은 아미네이트 화합물을 실리카 기판에 함침 또는 접목하기 위한 표준화된 기술의 개발을 촉진하는 것을 목표로 하며, 이는 종종 문헌에 광범위하게 설명되어 있습니다. 용매, 기질, 아민의 특정 양 및 기타 중요한 실험 매개변수의 값이 자세히 논의될 것입니다.

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

NIST의 과학자들은 혁신을 가속화하고 대기에서 이산화탄소를 제거하기 위한 시기적절하고 효과적이며 확장 가능한 직접 공기 포집(DAC)을 탐구하기 위해 중요한 측정 과학 및 벤치마크 자료를 개발하고 있습니다. 이 작업은 DAC 응용 분야를 위한 아민 기능성 실리카 복합재의 준비, 측정 및 보고를 위한 모범 사례를 홍보하는 데 중점을 둡니다. 이 프로토콜은 중요한 단계를 식별하는 동시에 명확한 지침과 조건을 제공하여 DAC 재료에 대한 뛰어난 연구 과제와 재현 가능한 합성 절차를 해결합니다.또한 특정 흡착 실험 매개변수에 대한 명확한 문서화를 통해 이러한 물질의 이산화탄소 능력을 의미 있게 비교할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 당사는 벤치마크 물질을 특성화하고 보고된 결과에 대한 비교 가능성과 신뢰도를 높이기 위해 표준 기술을 개발하는 데 노력을 기울이고 있습니다.

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Research

JoVE Journal

Chemistry

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

1.5K 조회수.  National Institute of Standards and Technology (NIST). NIST의 과학자들은 혁신을 가속화하고 대기에서 이산화탄소를 제거하기 위한 시기적절하고 효과적이며 확장 가능한 직접 공기 포집(DAC)을 탐구하기 위해 중요한 측정 과학 및 벤치마크 자료를 개발하고 있습니다. 이 작업은 DAC 응용 분야를 위한 아민 기능성 실리카 복합재의 준비, 측정 및 보고를 위한 모범 사례를 홍보하는 데 중점을 둡니다. 이 프로토콜은 중요한 단계를 식...

비디오: 저자 스포트라이트: 직접 공기 포집을 위한 CO2 흡착제로서의 아민 기반 실리카 복합재 개발 표준화 

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.

연구

화학

﻿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.

폴리에틸렌이민을 사용한 실리카 함침(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.