Grafeenmembranen met hoge selectiviteit verbeteren de CO₂-afvangefficiëntie

Het verminderen van de uitstoot van koolstofdioxide (CO₂) is een cruciale stap in het beperken van klimaatverandering en het beschermen van het milieu op aarde. Een voorgestelde technologie voor het verminderen van de CO₂-uitstoot, met name van elektriciteitscentrales en industriële vestigingen, is koolstofafvang.

Koolstofafvang houdt in dat CO₂ wordt gescheiden van gemengde gasemissies en wordt opgevangen om te voorkomen dat het in de lucht terechtkomt. Eén manier om dit te doen is door speciale membranen te gebruiken die dienen als selectieve “barrières”, waardoor CO₂ erdoorheen kan en het kan absorberen, terwijl de doorgang van andere gassen wordt geblokkeerd.

Tot nu toe is het ontwikkelen van hoogwaardige en goedkope membranen die CO₂ kunnen opvangen een uitdaging gebleken. Dit heeft het potentieel van deze oplossingen voor toepassingen in de echte wereld aanzienlijk verminderd.

Onderzoekers van École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben onlangs nieuwe grafeenmembranen geïntroduceerd die koolstofafvang met hoge prestaties mogelijk kunnen maken. Deze membranen, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Energiebevatten pyridinische stikstof aan de randen van hun poriën, wat de binding van CO₂ aan de poriën vergemakkelijkt.

“We wilden de scheidingsprestaties van grafeenmembranen verbeteren,” vertelde Kumar Varoon Agrawal, corresponderende auteur van het artikel, aan Phys.org. “We hebben veel werk verricht om de porositeit van grafeen te vergroten, de grootteverdeling van poriën te verbeteren en polymeergroepen aan de porie toe te voegen om de CO₂/N₂ selectiviteit en het verkrijgen van een hoge CO₂ permeance. We hebben echter óf een hoge permeance óf een hoge selectiviteit verkregen, maar niet beide.”

Na het bestuderen van eerdere literatuur en het uitvoeren van hun eigen studies gericht op het ontwikkelen van membranen voor koolstofafvang, realiseerden Agrawal en zijn collega’s zich dat grafeen-gebaseerde membranen die zowel een hoge selectiviteit als permeabiliteit vertonen nog steeds ontbraken. Om richting de ontwikkeling van deze oplossingen te gaan, gingen ze op zoek naar een methode die de binding van CO₂ aan grafeenporiën zou verbeteren.

De methode die ze voorstelden, houdt in dat ammoniak wordt blootgesteld aan geoxideerd enkellaags grafeen bij kamertemperatuur. Dit proces bleek pyridinische stikstof te bevatten aan de randen van de poriën van het membraan, wat de binding van deze poriën met CO versterkt.₂.

“We hebben atomaire N in de grafeenporie geïntroduceerd in de vorm van pyridinische N,” zei Agrawal. “Deze vorm van N heeft een hoge affiniteit met CO₂. Deze aanpak is gunstig omdat het grafeenrooster atoomdun blijft en ons in staat stelt om zowel een hoge selectiviteit als permeantie te verkrijgen.”

De onderzoekers ontdekten dat hun methode leidde tot membranen met een veelbelovende gemiddelde CO₂/N₂ scheidingsfactor van 53 en een gemiddelde CO₂ permeabiliteit van 10.420 uit een stroom die 20 vol% CO bevat₂. Voor een verdunde CO₂ stroom met een volume % van ~1, bereikte het membraan scheidingsfactoren boven de 1.000.

“We konden pyridinische N-incorporatie uitvoeren door een eenvoudige methode, door poreus grafeen simpelweg in ammoniak te weken,” zei Agrawal. “We merkten dat dit leidde tot een opmerkelijke verbetering in CO₂/N₂ selectiviteit terwijl uitzonderlijke permeabiliteit behouden bleef. Dit leidde ook tot extreem hoge CO₂/N₂ selectiviteit voor verdunde CO₂ voer, boven de 1.000, wat zeer aantrekkelijk is.”

De grafeenmembranen die Agrawal en zijn collega’s hebben ontwikkeld en de aanpak die ze gebruiken om ze te fabriceren, kunnen nieuwe mogelijkheden bieden voor grootschalige implementatie van koolstofafvangtechnieken. De onderzoekers werken nu aan het opschalen van de membranen en het vereenvoudigen van hun fabricage door roll-to-roll-synthese, om hun toekomstige commercialisering te vergemakkelijken.