Den globala uppvärmningen har tillskrivits den kraftiga ökningen av värmefångande växthusgasutsläpp, särskilt CO₂ utsläpp. Kolavskiljningsteknik, som att använda adsorbenter för att fånga och lagra CO₂ från omgivande luft, är en lovande lösning för att minska utsläppen.

Flytande sorbenter används traditionellt för kolavskiljning, men de lider av utrustningskorrosion, höga kostnader och höga energikrav för regenerering. För att övervinna dessa begränsningar, fasta porösa material för CO₂ adsorption – där CO₂ atomer fäster vid ytan av det fasta materialet – undersöks.

I sin forskning om kolavskiljning vände sig docent Wu Ping vid Singapore University of Technology and Design (SUTD) till glimmer, ett billigt och rikligt lermineral med olika tillämpningar.

Glimmer bildar arkliknande aluminiumoxidsilikatskikt sammankopplade med kaliumkatjoner mellan skikten genom jonbindningar. Den komplexa strukturen gör det dock utmanande att separera glimmer i enstaka eller få lager för att bilda tvådimensionella (2D) nanoark som bidrar till CO₂ fånga. Metoder som utvecklats av tidigare studier har också krävt långa reaktionstider och hög energiförbrukning.

För att utveckla en effektiv metod för att producera 2D glimmer nanoark, samarbetade Assoc Prof Wu och hans SUTD-team med forskare från Agency for Science, Technology and Research (A*STAR). De publicerade sin forskningsartikel "Effektiv syntes av 2D glimmer nanosheets by solvothermal and microwave-assisted techniques for CO₂ fånga applikationer" i Material.

"Med utgångspunkt från våra senaste genombrott inom mekanokemi, har vi innovativt kombinerat teknikerna för mikrovågskemi och solvotermisk mekanokemi. Genom att utnyttja energin från mikrovågor och solvotermiska processer kunde vi omvandla denna energi till spänningsenergi inom fast-vätske-gas-gränssnitt, underlätta syntesen av exfolierade glimmer (eMica) nanosheets Dessa åtgärder resulterar i snabb exfoliering och avsevärt minskad reaktionstid," förklarade Assoc Prof Wu.

Forskargruppen kombinerade naturlig glimmer med kaliumhydroxid i ett polärt lösningsmedel inuti ett slutet reaktionskärl. Denna reaktion värmdes sedan i en mikrovågsugn och överförde energi till det mikrovågsabsorberande polära lösningsmedlet och reaktanterna. Tillsammans med det självgenererade trycket inuti kärlet exfolierades glimmern snabbt med en signifikant reducerad reaktionstid. Den mikrovågsbehandlade glimmern sonikerades sedan för att ytterligare expandera och separera skikten. Efter flera omgångar av rening hade teamet syntetiserat eMica nanosheets.

Jämfört med bulk glimmer är lager av eMica nanosheets mer enhetliga i sidostorlek och tjocklek. Dessutom uppvisar eMica nanosheets ett ordnat atomarrangemang, vilket indikerar deras höga kvalitet och minimala defekter.

Biträdande professor Wu och teamet undersökte därefter potentialen hos nanoarken för CO₂ fånga applikationer. De fann att CO₂ adsorptionskapaciteten för eMica nanosheets var 87 % högre än den för bulk glimmer. Även om andra typer av adsorptionsmaterial i litteraturen har visat en högre kapacitet, överträffade eMica nanosheets fortfarande andra lermineraler som har modifierats för kolavskiljning.

Den överlägsna CO₂ adsorptionskapaciteten hos eMica nanosheets kan tillskrivas en hög specifik yta och porositet mellan dess expanderade skikt. Den specifika ytan för detta 2D-material hade ökat mer än fem gånger, från 29,1 m ² /g i bulk glimmer till 171,3 m ² /g i nanobladen. Porositeten hos nanoarken var också dramatiskt högre, med porvolymen som ökade sju gånger, från 0,145 cc/g i bulk glimmer till 1,022 cc/g i eMica nanosheets.

CO₂ adsorption kunde också ha förstärkts av avlagringar av kaliumkarbonat (K₂ CO₃ ) på nanoskivorna, som bildas när kaliumkatjoner i glimmer reagerar med vatten och CO₂ i luften. Teamet stödde denna hypotes med datorsimuleringar som visade en K₂ CO₃ avsatt glimmermonoskikt som överträffar både bulkglimmer och ett glimmermonoskikt i CO₂ adsorption_.

Mekanistiskt, CO₂ fångas av eMica nanosheets främst genom fysisk adsorption, vilket bildar svagare elektrostatiska attraktioner med ytan. Detta står i kontrast till de starkare jonbindningarna som bildas när CO₂ absorberas kemiskt på nanoskivans yta, vilket förekommer i mindre utsträckning. Denna dominerande fysisorptionsmekanism skulle möjliggöra enklare CO₂ desorption och regenerering av eMica nanosheets.

Forskargruppen fann att nanoarken kunde bibehålla stark adsorptionskapacitet när de utsätts för cykliska adsorptions-/desorptionstester, vilket visar återhämtningsförmågan och stabiliteten hos eMica nanosheets. Assoc Prof Wu tror att denna forskning kommer att vara av intresse för kraftproduktionssektorn, miljö- och tillsynsmyndigheter och andra forskare som söker nya material och teknologier för CO₂ fånga. Dessutom bidrar hans forskning till hållbarhetsplanerna för SUTD.

"CO₂ fångst är en viktig aspekt för att minska utsläppen av växthusgaser, ett viktigt fokusområde för hållbarhetsstrategin för SUTD. Vårt arbete med att utveckla en effektiv syntesmetod ligger i linje med universitetets betoning på hållbar verksamhet samt hållbar utbildning och forskning", kommenterade han.

Assoc Prof Wu strävar efter att utveckla en skalbar metod för glimmerexfoliering och utforska användningen av glimmer för vattenrening.

"Den skalbara tillverkningen av 2D-material med hjälp av hållbara och kostnadseffektiva metoder kan få betydande konsekvenser för industrin och samhället, som att minska koldioxidutsläppen och förbättra energieffektiviteten. Sammantaget hoppas vi att denna forskning kommer att öka vår förståelse av 2D-material och deras potential. applikationer och bidra till utvecklingen av hållbar och innovativ teknik", sa han.

Mer information: P. Vishakha T. Weerasinghe et al., Effektiv syntes av 2D-glimmernanoark med hjälp av solvotermiska och mikrovågsassisterade tekniker för CO2-avskiljningstillämpningar, Material (2023). DOI:10.3390/ma16072921

Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design