探索用于捕获 CO2 的氧化石墨烯/聚合物复合材料

对能够在各种环境条件下提供高效解决方案的适应性强的CO₂捕获系统的强烈需求正在推动对减少大气CO₂的研究兴趣。

研究：氧化石墨烯/聚合物复合材料不同功能对选择性CO2捕获的影响的实验和理论研究。 图片来源：Dmitry Demidovich/Shutterstock.com

最近发表在《Scientific Reports》杂志上的一项研究研究了氧化石墨烯（GO）和功能化水性聚合物颗粒在柔性CO₂捕获应用中的整合。该研究还打算建立一种易于扩展、负担得起且生态有益的CO₂捕获技术。

CO₂ 捕集技术：为什么它们很重要？

环境中温室气体的实质性和持续放大已成为全球最基本和持久的问题之一，因为化石能源仍然便宜，新兴国家正处于经济扩张之中。除其他气体外，二氧化碳（CO₂）是全球变暖情景的重要参与者。

虽然全球CO₂到2020年，捕获能力已达到4000万吨，这是无关紧要的，因为必须每年捕获十亿吨的CO₂才能主要影响全球变暖。

增强CO₂捕获和减少全球变暖是21世纪社会面临的一些最困难的环境问题，因为绿色能源解决方案仍远未取代化石燃料。

因此，创建可靠、灵敏且低成本的CO₂捕集系统对于我们生态系统的可持续性至关重要。化学或物理吸附、膜过滤和酶促转化都已成为可能的CO₂捕获方法。

用于CO₂捕集的石墨烯基吸附剂

已经提出了许多用于CO₂捕获的吸附剂，包括多孔聚合物材料、金属有机配合物、氧化铝基化合物和金属氧化物。然而，与其他气体相比，它们中的大多数具有有限的吸附能力、较差的热稳定性和较差的选择性。

碳基吸附剂正在成为解决与CO₂捕获相关的大多数缺点的潜在选择。这是因为碳基吸附剂具有很强的吸附能力和相对较低的能量需求。此外，诸如宽表面积、循环操作的耐久性和快速吸附动力学等特性使它们成为有前途的CO₂捕获吸附剂。

在碳基吸附剂中，石墨烯及其化合物由于其最低的制造成本而被广泛用于商业CO₂捕获应用。

在石墨烯片中引入导电聚合物和表面改性可增强其理化质量并促进处理，使这些复合颗粒在CO₂捕获等循环过程中更加坚固和稳定。

当前研究的亮点

计算化学已被证明是材料工程中的一种有效技术。特别是密度泛函理论（DFT）计算可以为CO₂和各种分子之间的动力学提供深刻的视角，为CO₂捕获技术提供关于可能的新型吸附剂的重要信息。

虽然氧化石墨烯（GO）/聚合物复合材料是商业应用中非常有趣的材料，但对GO/聚合物复合材料的各种功能对选择性CO₂捕获的影响的研究很少，无论是在实验上还是在理论上。此外，文献中没有关于CO₂吸附结合能的理论计算的证据。

考虑到上述考虑，这项工作的研究人员使用量子化学来计算CO₂与各种GO /聚合物复合材料的结合能。采用密度泛函理论（DFT）模拟研究了CO₂与多种功能单体的相互作用，包括甲基丙烯酸2-氨基乙酯盐酸盐（AEMH）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）和4-乙烯基苯磺酸钠（NaSS）。

这些复合材料是专门开发的，为与理论发现的比较提供基础。通过实验研究了合成复合材料，以确定其对CO₂捕获应用的适用性。

功能化GO/聚合物复合材料的CO₂和N₂的吸附.© Stankovic, B. et al. (2022)

研究的重要发现

计算表明，AEMH和GMA复合材料的CO₂结合能增强，而NaSS和HEMA复合材料的结合能降低。这个令人惊讶的发现，其中GO似乎没有合作影响，可能是聚合物材料和GO之间非常强烈的接触来解释的。

这四种化合物也进行了实验制造，并研究了它们的CO₂捕获性能。理论分析准确地预测了实验中看到的CO₂捕获模式。

此外，在HEMA功能化复合材料实例中理论与实际发现之间的差异表明了形态效应的重要性。总之，这项研究表明，DFT可能是评估功能性聚合物以开发和合成新型CO₂捕获材料的宝贵方法。

参考

Stankovic, B. et al. (2022). Experimental and theoretical study of the effect of different functionalities of graphene oxide/polymer composites on selective CO₂ capture. Scientific Reports. 可在以下地点找到： https://www.nature.com/articles/s41598-022-20189-5