Name: Author Spotlight: Standardizing the Development of Amine based silica composites as CO2 adsorbents for direct air capture
Uploaded: 2023-09-29T14:40:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Standardizing the Development of Amine-Based Silica Composites as CO2 Adsorbents for Direct Air Capture at JoVE.com

שרלוט מ. וונץ רוצה להכיר במימון באמצעות פרס NIST # 70NANB8H165. Zois Tsinas רוצה להכיר מימון באמצעות פרס NIST # 70NANB22H140.

הערה: פרטים הקשורים לציוד, למכשור ולכימיקלים המשמשים בסעיף זה ניתן למצוא בטבלת החומרים.
1. ספיגה של סיליקה עם פוליאתילנימין של 800 גרם / מול מסה מולרית (PEI 800)
<ol><li>הכנת תגובה<ol><li>השתמש מתנול נטול מים כמו ממס בתגובה זו. יש לו נקודת רתיחה נמוכה; לפיכך, התנודתיות ש...

הספגה והשתלה של תרכובות מודבקות על מצעי סיליקה

<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>

השיטות המתוארות כאן נועדו לספק פרוטוקול להכנת חומרים סופגים ומושתלים של אמין סיליקה מרוכבים. ההליכים שתיעדנו מבוססים על סקירת טכניקות שדווחו בספרות ואלה ששוכללו במעבדה שלנו. 1,2,3. הכנת חומרים אלה שימושית בתחום המחקר לסילוק פחמן דו חמצני ?...

פליטותCO2 האנתרופוגניות במהלך העשורים האחרונים היו מעורבות באופן נרחב כגורם העיקרי המניע את אפקט גזי החממה וכתוצאה מכך, שינויי האקלים הקשורים 1,2,3,4. ישנן שתי שיטות כלליות ללכידתCO2, מקור נקודתי ולכידת אוויר ישירה. במשך יותר מ-50 שנה, טכנולוגיות לכידת CO2 לקרצוף רטוב שימשו ללכידת מקור נקודתי בתעשייה כדי להפחית את פליטת CO2 5,6. טכנולוגיות אלה מבוססות על אמינים בפאזה נוזלית שמגיבים עם CO2 ליצירת קרבמטים בתנאי יובש ומימן פחמתי בנוכחות מים7,8, ראו איור 1. הסיבה העיקרית לכך שלכידה ואחסון של פחמן מנוצלים במקורות נקודתיים גדולים (תעשייתיים) היא כדי למנוע שחרור נוסף של כמויות גדולות של CO2, ובכך יש השפעה ניטרלית על ריכוזCO2 הכולל באטמוספירה. עם זאת, מערכות לכידת פחמן ממקור נקודתי סובלות ממספר חסרונות, כגון קורוזיה של ציוד, פירוק ממס ודרישות אנרגיה גבוהות להתחדשות9. לכידת אוויר ישירה (DAC) חורגת מעבר להפחתת פליטות ויכולה להקל על סילוקCO2 מהאטמוספירה. הסרתCO2 קיים זה הכרחית כדי להגביל את שינוי האקלים המתמשך. DAC היא מתודולוגיה מתפתחת ועליה לטפל בקשיים של הסרת ריכוזים נמוכים שלCO2 בתנאים אטמוספריים (400 עד 420 ppm), לפעול במגוון תנאים סביבתיים שונים, ולענות על הצורך בחומרים חסכוניים שניתן לעשות בהם שימוש חוזר פעמים רבות 1,2,3. נדרשת עבודה משמעותית לזיהוי חומרים העונים על דרישות אלה, אשר יאיצו את אימוץ DAC וישפרו את הכדאיות הכלכלית שלו. והכי חשוב, יש לבסס קונצנזוס קהילתי על פרמטרים קריטיים של מדידה, שהוא חיוני לפיתוח חומרי אמות מידה.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig01.jpg"> איור 1: סכמה של מנגנון לכידת CO2 ספיגת אמין נוזלי צפוי. התגובה העליונה היא בתנאי יובש, והתגובה התחתונה היא בנוכחות לחות. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
במאמץ לתקן חסרונות אלה, מחקר ופיתוח ניכרים של טכנולוגיית חומרים נקבוביים חדשנית הביאו למגוון רחב של חומרים מבטיחים שיש להם פוטנציאל לשמש כחומרי לכידה או מצעים עבור DAC. דוגמאות לחומרים כאלה כוללות מיני סיליקה מזופורוס 10,11,12,13, זאוליטים14,15, פחמן פעיל 16,17 ומסגרות מתכת-אורגניות 18. חומרים סופחי אמין רבים הנתמכים על ידי מוצקים מראים גם סבילות גבוהה יותר למים, וזה שיקול חיוני בהסרתCO2 באמצעות גישות DAC. עבור יישומי DAC, החוקרים חייבים לקחת בחשבון תנאי סביבה רטובים/יבשים, טמפרטורות חמות/קרות וריכוזCO2 אטמוספרי מדולל כולל. בין חומרי המצע השונים, סיליקה משמשת בדרך כלל בגלל גודל הנקבוביות המתכווננות שלה, היכולת לתפקד בפני השטח ושטח פנים גדול 1,2,3. בעבודה זו מתוארים פרוצדורות סינתטיות טיפוסיות ומאפיינים עיקריים של חומרים מרוכבים ספוגים ומושתלים של אמין-סיליקה (איור 2). סינתזה ישירה, שבה החומר נעשה באתרו עם שני המרכיבים, מצע ואמין, היא מתודולוגיה נפוצה נוספת2.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65845/65845fig02.jpg"> איור 2: ייצוגים סכמטיים של ספיגה. ערבוב של מצע PEI וסיליקה במתנול באמצעות דיפוזיה (למעלה) והשתלת חומרים מרוכבים אמין-סיליקה באמצעות קשירה קוולנטית (למטה). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65845/65845fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
הספגה היא שיטה שבה אמין נספג פיזית על משטח, במקרה זה, תווך סיליקה נקבובי, באמצעות כוחות ואן דר ואלס וקשרי מימן בין משטח האמין למשטח סיליקה19, ראו איור 2. ממסים כגון אתנול ומתנול משמשים בדרך כלל לקידום הדיפוזיה של המולקולות לתוך המבנה הנקבובי של חומר המצע. ניתן גם לחמם את התמיסה כדי להגביר את המסיסות של פוליאמינים בעלי מסה מולרית גבוהה, ובכך להגדיל את ההומוגניות של חדירת אמין בתוך הנקבוביות. במקרה של חומרים ספוגים, כמות האמין שהוכנסה למצע סיליקה נקבעת על ידי הכמות הראשונית של האמין ושטח הפנים של המצע. אם כמות האמין המוחדרת עולה על שטח הפנים הזמין של מצע הסיליקה, מיני האמין יצטברו על פני השטח שלו. הצטברות זו ניכרת בקלות, שכן החומר הספוג ייראה כבעל ציפוי דמוי ג'ל, לרוב צהוב, ולא המראה הלבן והאבקתי הצפוי1. בין סוגים רבים של adsorbents מוצק בסיס אמין, polyethyleneimine (PEI) ו tetraethylene pentamine (TEPA) הם הנפוצים ביותר בשל יציבותם הגבוהה ותכולת חנקן גבוהה20. עבור מערכות ספוגות פיזית, ניתן לחשב את כמות ההעמסה התיאורטית של אמין מהכמויות המשוקללות מראש של המצע וצפיפות האמין. היתרון הברור של הספגה פיזית טמון בהליך הסינתזה הפשוט להכנתו, כמו גם בפוטנציאל לתכולת אמין גדולה בשל הנקבוביות הגבוהה של מצע הסיליקה. לעומת זאת, יציבות האמין בתוך הסיליקה מוגבלת מכיוון שאין קשר קוולנטי בין תמיכת האמין והסיליקה. לכן, לאחר מחזורים מרובים של ספיגה והתחדשות שלCO2 באמצעות חום או קיטור, האמין יכול לצאת מהנקבוביות. למרות חסרונות אלה, יישום חומרים כאלה עבור DAC טומן בחובו הבטחה גדולה להסרתCO2 מהאטמוספירה.
אפשרות נוספת להכנת חומרי DAC היא grafting. השתלה היא שיטה שבאמצעותה אמינים משותקים על מצע סיליקה נקבובי באמצעות תגובה כימית, כפי שמוצג באיור 2. תגובה זו מתרחשת על ידי תגובה של אמינוזילן עם הקבוצה הפונקציונלית של הסילנול של פני השטח, וכתוצאה מכך נוצר קשר קוולנטי. לכן, מספר הקבוצות הפונקציונליות על פני מצע הסיליקה משפיע על צפיפות האמין המושתל21,22. בהשוואה לסופחי אמין, שיטות השתלה כימיות היו בעלות יכולת ספיחת CO2 נמוכה יותר בעיקר בגלל עומס אמיןנמוך 21. לעומת זאת, אמינים שהושתלו כימית הגבירו את היציבות התרמית בשל המבנה הקוולנטי שלהם. יציבות זו יכולה להיות שימושית בהתחדשות החומר מכיוון שחומרים סופחים (כגון סיליקה מושתלת) מחוממים ומופעלים בלחץ כדי להסיר את ה-CO2 שנלכד לשימוש חוזר כדי לחסוך בחומר ובעלויות. בהליך סינתזה טיפוסי, מצע הסיליקה המזופורוס מפוזר בממס (למשל, טולואן נטול מים), ואחריו תוספת של אמינוזילנים. הדגימה המתקבלת נשטפת לאחר מכן כדי להסיר aminosilanes unreacted. דווח כי שיפורים בצפיפות האמינוזילן הושגו באמצעות הוספת מים, במיוחד עם SBA-15, כדי להרחיב את גודל הנקבוביות23. הליך ההשתלה שיתואר כאן משתמש בטכניקות רגישות ללחות. לכן, לא ייעשה שימוש במים נוספים. יישום חומרי אמינוזילן מושתלים עבור DAC מבטיח בשל יציבותם הצפויה במהלך תהליכי ספיחה וספיחה שלCO2. עם זאת, החסרונות העיקריים של מתודולוגיה זו כוללים את התגובות/הכנה המורכבות של חומרים אלה, מה שמוביל לעלות מוגברת, ואת יכולת ספיחתCO2 הנמוכה הכוללת שלהם, כלומר נדרשות כמויות גדולות יותר.
בסך הכל, תוצאות של מחקרים קודמים רבים מצביעות על כך שלמבנה המצע ולשינוי הקשור לאמין יש השפעה משמעותית על ביצועי הספיחה עם מחקרים ספציפיים המשתמשים בטכניקות כגון מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM) ופיזור נייטרונים קוואזי-אלסטי (QENS) כדי לאפיין באופן מלא חומרים אלה24,25. במילים אחרות, התכונות המבניות (למשל, נקבוביות ושטח פנים) של חומר המצע קובעות את עומס האמין, ולכן הגדלת פרמטרים אלה יכולה לשפר את קיבולתCO2 24,25. המשך המחקר על אופטימיזציה ועיצוב של חומרי מצע ותהליכי הכנה הוא קריטי לפיתוח של חומרים סופחים בעלי ביצועים גבוהים עבור DAC. מטרת עבודה זו היא לספק הדרכה על הספגה וסינתזה של אמין מושתל בתקווה להקל על שקיפות טובה יותר של טכניקות סינתטיות. בתוך הספרות, לא תמיד מתוארים פרטים ספציפיים על כמויות הממס, המצע והאמינים, מה שמקשה על הבנת המתאם בין כמויות העמסה ניסיוניות למדידות כמותיות של חומרים מרוכבים אמין-סיליקה. כמויות ההעמסה המדויקות ותיאור מפורט של הליכי הניסוי יסופקו כאן כדי להקל טוב יותר על השוואות מסוג זה.

<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

לאחרונה, נעשה מאמץ משמעותי להפחית או להפחית את פליטתCO2 באמצעות שימוש בחומרים ללכידת פחמן עבור מקור נקודתי או שיטות לכידת אוויר ישירה (DAC). עבודה זו מתמקדת בספיגת CO2 פונקציונלית של אמין עבור DAC. חומרים אלה מראים הבטחה לסילוקCO2 מכיוון שיש להם צריכת אנרגיה רגנרציה נמוכה ויכולת ספיחה גבוהה. שילוב מיני אמין במצע נקבובי משלב את יתרונות הזיקה של מיני האמין ל-CO2 עם נפחי הנקבוביות הגדולים ושטחי הפנים של המצע הנקבובי. ישנן שלוש שיטות נפוצות להכנת סורבי CO2 מבוססי אמין, בהתאם לבחירת מיני האמין, תמיכה חומרית ושיטת ההכנה. שיטות אלה הן ספיגה, השתלה או סינתזה כימית. סיליקה היא בחירה נפוצה של חומר המצע בגלל גודל הנקבוביות המתכוונן שלו, עמידות ללחות, יציבות טמפרטורה ויכולתו לספוחCO2 בריכוזים נמוכים עבור יישומי DAC. פרוצדורות סינתטיות טיפוסיות ותכונות עיקריות של מרוכבי אמין-סיליקה ספוגים ומושתלים מתוארים כאן.

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.

Author Spotlight: Standardizing the Development of Amine based silica composites as CO2 adsorbents for direct air capture 

מתודולוגיה סינתטית להכנת חומרים מרוכבים מבוססי אמין ספוג ומושתל ללכידת פחמן

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.

TGA משמש בדרך כלל לכימות כמות האמין שהוטען או הושתל על פני השטח של סיליקה עבור חומרים אלה. עקומות TGA המתקבלות מראות אובדן של ממס שיורי ומים בין 60 ° C ל 100 ° C, אשר מוצג בעקומת משקל הנגזרת (משקל %/°C) כפסגה הראשונה, ואובדן אמין, המוצג בעקומת משקל הנגזרת (משקל %/°C) כשיא השני. עבור סיליקה ספוגת PEI, אובדן ?...

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

עבודה זו נועדה להקל על הפיתוח של טכניקות סטנדרטיות עבור הספגה או השתלה של תרכובות aminated על מצעי סיליקה, אשר מתוארים לעתים קרובות בהרחבה בספרות. כמויות ספציפיות של ממס, מצע, אמינים וערכים של פרמטרים ניסיוניים חשובים אחרים יידונו בפירוט.

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

מדענים כאן ב- NIST מפתחים מדע מדידה קריטי וחומרי השוואה כדי להאיץ חדשנות ולחקור לכידת אוויר ישירה בזמן, יעילה וניתנת להרחבה, או DAC, לסילוק פחמן דו חמצני מהאטמוספירה. עבודה זו מתמקדת בקידום שיטות עבודה מומלצות להכנה, מדידה ודיווח של תרכובות סיליקה פונקציונאליות של אמין עבור יישומי DAC. פרוטוקול זה נותן מענה לאתגרי מחקר יוצאי דופן ולהליכים סינתטיים הניתנים לשחזור עבור חומרי DAC על ידי מתן הנחיות ותנאים ברורים תוך זיהוי שלבים קריטיים.בנוסף, אנו שואפים לאפשר השוואה משמעותית של יכולות פחמן דו חמצני של חומרים אלה באמצעות תיעוד ברור של פרמטרים ספציפיים של ניסויי ספיחה ספציפיים. אנו מפנים את מאמצינו לאפיון חומרי אמת מידה ופיתוח טכניקות סטנדרטיות כדי לטפח יכולת השוואה וביטחון רב יותר בתוצאות המדווחות.