旨在减少工业碳排放的先进气膜材料

橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员展示了一种新型的可负担得起的气膜制造方法，该膜可以去除工业废气中的二氧化碳。

能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员正在开发气膜材料，以扩大减少工业碳排放的实用技术选择。

在《化学》杂志上发表的结果证明了一种膜材料的制造方法，该方法可以克服目前在选择性和渗透性方面的瓶颈，这是在实际环境中驱动碳捕获性能的关键变量。

“通常需要权衡如何使膜过滤掉二氧化碳而又不让其他气体通过的选择性或渗透性。理想的情况是创建具有高渗透性和选择性的材料。” UT化学系的杨振珍说。

气膜是一种有前途但仍在发展中的技术，可减少化石燃料工业产生的后燃烧或烟道气排放。

这个概念很简单：薄而多孔的膜充当废气混合物的过滤器，选择性地允许二氧化碳或二氧化碳自由流进保持减压的收集器，但防止氧气，氮气和其他气体进入一起标记。

与现有的从工业过程中捕获二氧化碳的化学方法不同，该膜易于安装并且可以长时间无人值守运行，而无需其他步骤或增加能源成本。问题在于，需要新的，具有成本效益的材料来扩大该技术的商业应用范围。

ORNL化学科学部的Ilja Popovs说：“气体膜需要在一侧施加压力，而在另一侧则通常需要真空，才能保持自由流动的环境，这就是为什么材料的选择性和渗透性对于开发该技术如此重要的原因。”“性能不佳的材料需要更多的能量来推动气体通过系统，因此先进的材料对于保持较低的能源成本至关重要。”

没有一种自然的合成材料超过了所谓的Robeson上限，Robeson上限是已知的边界，它限制了大多数材料在这些速率开始下降之前的选择性和渗透性。

具有足够高的选择性和渗透性以进行有效的气体分离的材料是罕见的，并且通常由昂贵的原料制成，这些原料的生产需要漫长而乏味的合成或昂贵的过渡金属催化剂。

杨说：“我们着手检验一种假设，即在膜材料中引入氟原子可以改善碳捕获和分离性能。”

用于制造诸如聚四氟乙烯和牙膏等消费产品的氟元素具有亲二氧化碳的特性，使其对于碳捕获应用具有吸引力。它也广泛可用，使其成为低成本制造方法的相对负担得起的选择。由于将氟混入材料中以实现其爱好碳的功能的基本挑战，氟化气膜的研究受到了限制。

Yang表示：“我们的第一步是使用简单的化学方法和可商购的起始原料创建独特的氟基聚合物。”

接下来，研究人员通过加热使材料变质或碳化，使其具有捕获二氧化碳所需的多孔结构和功能。两步过程保留了最终基团中的氟化基团并提高了CO2选择性，克服了其他合成方法中遇到的基本障碍。

杨说：“这种方法产生了一种具有高表面积和超微孔的亲二氧化碳材料，该材料在高温操作条件下是稳定的。”“所有这些因素使其成为碳捕获和分离膜的有前途的候选者。”

这种材料的新颖设计为其出色的性能做出了贡献，在高选择性和高渗透率（超过Robeson上限）中可以观察到，只有少数几种材料才能做到这一点。

“我们的成功是一项材料成就，展示了在未来的膜材料中利用氟的可行途径。而且，我们使用市售的廉价起始材料实现了这一目标。”波波夫斯说。

这一基本发现扩大了碳捕获膜实用选件的有限库，并为开发具有其他特定任务功能的氟化膜开辟了新的方向。

研究人员的目标是下一步研究氟化膜吸收和运输CO2的机制，这是一个基本步骤，将有助于设计出更好的碳捕集系统，并采用专门设计的材料来捕获CO2排放。

该期刊的文章发表为“使用氟化碳分子筛膜的分离方法超越了Robeson上限”。

###

参考：杨振振，郭卫，Shannon Mark Mahurin，王松，陈浩，龙成，可可杰，哈里·迈耶三世，姜德恩，“氟化碳分子筛膜的分离方法超越了Robeson上限” ，刘功平，金万勤，伊利亚·波波夫斯和戴晟，2020年1月16日，化学。
10.1016 / j.chempr.2019.12.006

这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。