En avsökande elektronmikroskopbild, vänster, och en högupplöst transmissionselektronmikroskopbild visar en aktiverad, svavelhaltigt poröst kolprov. Materialet som skapas vid Rice University kan ställas in för att balansera koldioxidbindning och metanselektivitet. Kredit:Barron Research Group/Rice University
Naturgasproducenter vill dra all metan de kan från en brunn samtidigt som de binder så mycket koldioxid som möjligt, och skulle kunna använda filter som optimerar antingen kolavskiljning eller metanflöde. Inget enskilt filter kommer att göra både och, men tack vare Rice Universitys forskare, de vet nu hur man finjusterar sorbenter för deras behov.
Subtila justeringar i tillverkningen av en polymerbaserad kolsorbent gör det till det mest kända materialet antingen för att fånga upp växthusgasen eller balansera kolavskiljning med metanselektivitet, enligt Rice kemisten Andrew Barron.
Detaljerna finns i ett papper denna månad av Barron och Rice forskare Saunab Ghosh i tidskriften Royal Society of Chemistry Hållbar energi och bränslen .
"Utmaningen är att fånga upp så mycket kol som möjligt samtidigt som metan kan strömma igenom vid typiska brunnshuvudtryck, ", sa Barron. "Vi har definierat parametrarna i en karta som ger industrin de bästa alternativen hittills."
Tidigare arbete av labbet fastställde att kolfilter maximerade sin fångstförmåga med en yta på 2, 800 kvadratmeter per gram och en porvolym på 1,35 kubikcentimeter per gram. De upptäckte också att det bästa kolfångstmaterialet inte uppnådde den bästa avvägningen mellan kol och metanselektivitet. Med det nya verket, de vet hur man ställer in materialet för det ena eller det andra, sa Barron.
"Det traditionella tillvägagångssättet har varit att tillverka material med ständigt ökande porvolym och relatera detta till en bättre adsorbent; det verkar vara lite mer subtilt, " han sa.
Grafen till vänster visar beroende av koldioxidupptag vid olika tryck på kalium, syre och väte (KOH)-till-polymer (polytiofen, eller Pth) viktförhållande för sorbenterna aktiverade vid 700 grader Celsius av forskare vid Rice University. Till höger, grafen bestämmer upptaget genom att balansera den totala porvolymen och förhållandet KOH-till-Pth. Forskarna fann att mindre porer rymmer mer koldioxid medan större porer balanserar upptag och metanselektivitet. Kredit:Saunab Ghosh/Rice University
Laboratoriet tillverkade sina senaste filter genom att värma en polymerprekursor och sedan behandla den med ett kemiskt aktiveringsreagens av kalium, syre och väte, aka KOH. När polymeren bakas med KOH vid temperaturer över 500 grader Celsius (932 grader Fahrenheit), det blir ett mycket poröst filter, full av kanaler i nanoskala som kan fånga kol.
Förhållandet mellan KOH och polymer under bearbetningen visade sig vara den kritiska faktorn för att bestämma det slutliga filtrets egenskaper. Att tillverka filter med ett 3-till-1-förhållande mellan KOH och polymer gav det en yta på 2, 700 kvadratmeter per gram och maximerat koldioxidupptag under tryck på 5 till 30 bar. (En bar är något mindre än det genomsnittliga atmosfärstrycket vid havsnivån.)
Filter gjorda med ett 2-till-1-förhållande mellan KOH och polymer hade mindre yta—2, 200 kvadratmeter per gram — och en lägre porvolym. Det resulterade i den optimala kombinationen av koldioxidupptag och metanselektivitet.
Storleken på porerna var också kritisk. Filter med maximalt kolupptag hade den största andelen porer mindre än 2 nanometer. Större porer var bättre för metanselektivitet.
"Det verkar som om den totala porvolymen är mindre viktig än den relativa mängden porer vid specifika storlekar, " Sa Barron. "Vårt mål var att skapa en guide för forskare och industri att designa bättre material.
"Inte bara kan dessa material användas för koldioxidseparation från naturgas, men de är också modeller för koldioxidbindning i en naturresurs. Detta är den framtida riktningen för vår forskning."
