Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee, Knoxville, utvecklar gasmembranmaterial för att utöka praktiska teknikalternativ för att minska industriella koldioxidutsläpp.

Resultat publicerade i Chem demonstrera en tillverkningsmetod för membranmaterial som kan övervinna nuvarande flaskhalsar i selektivitet och permeabilitet, viktiga variabler som driver prestanda för kolfångst i verkliga miljöer.

"Ofta finns det en avvägning i hur selektivt eller hur permeabelt man kan göra membran som filtrerar bort koldioxid utan att låta andra gaser passera. Det ideala scenariot är att skapa material med hög permeabilitet och selektivitet, " sa Zhenzhen Yang vid UT:s avdelning för kemi.

Gasmembran är en lovande men fortfarande utvecklande teknik för att minska efterförbränning eller rökgasutsläpp från fossilbränslen.

Konceptet är enkelt:en tunn, poröst membran fungerar som ett filter för avgasblandningar, selektivt tillåta koldioxid, eller CO ₂ , att rinna fritt in i en kollektor som hålls under reducerat tryck, men förhindrar syre, kväve och andra gaser från att följa med.

Till skillnad från befintliga kemiska metoder för att fånga CO ₂ från industriella processer, membran är enkla att installera och kan fungera utan uppsikt under långa perioder utan ytterligare steg eller extra energikostnader. Haken är så ny, kostnadseffektiva material behövs för att skala upp tekniken för kommersiell adoption.

"Gasmembran behöver tryck på ena sidan och vanligtvis ett vakuum på den andra för att upprätthålla en miljö med fritt flöde, det är därför materialens selektivitet och permeabilitet är så viktiga för att utveckla tekniken, " sa Ilja Popovs från ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper. "Underpresterande material kräver mer energi för att driva gaser genom systemet, så avancerade material är nyckeln till att hålla energikostnaderna låga."

Inga naturliga och endast ett fåtal syntetiska material har överskridit vad som kallas Robeson övre gräns, en känd gräns som begränsar hur selektiva och permeabla de flesta material kan vara innan dessa hastigheter börjar sjunka.

Material med tillräckligt hög selektivitet och permeabilitet för effektiva gasavskiljningar är sällsynta och ofta tillverkade av dyra utgångsmaterial vars produktion kräver antingen lång och tråkig syntes eller kostsamma övergångsmetallkatalysatorer.

"Vi bestämde oss för att testa en hypotes om att införande av fluoratomer i membranmaterial kan förbättra kolavskiljnings- och separationsprestanda, " sa Yang.

Grundämnet fluor, används för att tillverka konsumentprodukter som teflon och tandkräm, erbjuder koldioxid-philic egenskaper som gör det attraktivt för koldioxidavskiljningsapplikationer. Det är också allmänt tillgängligt, vilket gör det till ett relativt prisvärt alternativ för billiga tillverkningsmetoder. Forskning om fluorerade gasmembran har varit begränsad på grund av grundläggande utmaningar med att införliva fluor i material för att förverkliga dess kol-älskande funktionalitet.

"Vårt första steg var att skapa en unik fluorbaserad polymer med enkla kemiska metoder och kommersiellt tillgängliga utgångsmaterial, " sa Yang.

Nästa, forskare förvandlade, eller karboniserad, materialet använder värme för att ge det den porösa struktur och funktionalitet som behövs för att fånga upp CO ₂ . Tvåstegsprocessen bevarade de fluorerade grupperna och ökade CO ₂ selektivitet i det slutliga materialet, att övervinna ett grundläggande hinder i andra syntetiska metoder.

"Tillvägagångssättet resulterade i ett koldioxidfilt material med stor yta och ultramikroporer som är stabilt under driftförhållanden med hög temperatur, " Yang said. "All of these factors make it a promising candidate for carbon-capture and separation membranes."

The material's novel design contributes to its exceptional performance, observed in high selectivity and permeability rates that exceed the Robeson upper limit, something only a handful of materials have accomplished.

"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.

The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.

Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO ₂ , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO ₂ emissions.