Wetenschappers ontwikkelen 2D-nanosheets voor duurzame koolstofafvang

De opwarming van de aarde wordt toegeschreven aan de sterke toename van de uitstoot van broeikasgassen die warmte vasthouden, met name CO2₂ uitstoot. Koolstofafvangtechnologie, zoals het gebruik van adsorbentia om CO af te vangen en op te slaan₂ uit de omgevingslucht, is een veelbelovende oplossing om emissies te verminderen.

Vloeibare sorptiemiddelen worden traditioneel gebruikt voor het afvangen van koolstof, maar ze hebben last van corrosie van apparatuur, hoge kosten en een hoge energiebehoefte voor regeneratie. Om deze beperkingen te overwinnen, moeten vaste poreuze materialen voor CO₂ adsorptie – waarin CO₂ atomen hechten zich aan het oppervlak van het vaste materiaal – worden onderzocht.

In zijn onderzoek naar koolstofafvang wendde universitair hoofddocent Wu Ping van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) zich tot mica, een goedkoop en overvloedig aanwezig kleimineraal met diverse toepassingen.

Mica vormt bladachtige aluminiumoxidesilicaatlagen die zijn verbonden door tussenliggende kaliumkationen via ionische bindingen. De complexe structuur maakt het echter een uitdaging om mica in enkele of enkele lagen te scheiden om tweedimensionale (2D) nanosheets te vormen die bevorderlijk zijn voor CO₂ vastlegging. Methoden die door eerdere studies zijn ontwikkeld, vereisten ook lange reactietijden en een hoog energieverbruik.

Om een ​​efficiënte methode te ontwikkelen om 2D-mica-nanosheets te produceren, werkten Assoc Prof Wu en zijn SUTD-team samen met onderzoekers van het Agency for Science, Technology and Research (A*STAR). Ze publiceerden hun onderzoekspaper “Efficiënte synthese van 2D mica nanosheets door solvothermische en microgolfondersteunde technieken voor CO₂ toepassingen vastleggen” in Materialen.

“Voortbouwend op onze recente doorbraken in mechanochemie, hebben we op innovatieve wijze de technieken van microgolfchemie en solvothermische mechanochemie gecombineerd. Door gebruik te maken van de energie van microgolven en solvothermische processen, waren we in staat om deze energie om te zetten in spanningsenergie binnen vast-vloeistof-gas-interfaces, het vergemakkelijken van de synthese van geëxfolieerde mica (eMica) nanosheets. Deze acties resulteren in een snelle exfoliatie en een aanzienlijk kortere reactietijd, “legde Assoc Prof Wu uit.

Het onderzoeksteam combineerde natuurlijk mica met kaliumhydroxide in een polair oplosmiddel in een gesloten reactievat. Deze reactie werd vervolgens verwarmd in een magnetron, waarbij energie werd overgedragen aan het microgolfabsorberende polaire oplosmiddel en de reactanten. In combinatie met de zelf gegenereerde druk in het vat, werd de mica snel geëxfolieerd met een aanzienlijk kortere reactietijd. De met microgolven behandelde mica werd vervolgens gesoniceerd om de lagen verder uit te zetten en te scheiden. Na verschillende zuiveringsrondes had het team eMica-nanosheets gesynthetiseerd.

In vergelijking met bulkmica zijn lagen van eMica-nanosheets uniformer in laterale grootte en dikte. Bovendien vertonen eMica-nanosheets een geordende atomaire rangschikking, wat hun hoge kwaliteit en minimale defecten aangeeft.

Associate Prof Wu en team onderzochten vervolgens het potentieel van de nanosheets voor CO₂ toepassingen vastleggen. Ze ontdekten dat de CO₂ de adsorptiecapaciteit van eMica-nanosheets was 87% hoger dan die van bulkmica. Hoewel andere soorten adsorptiematerialen in de literatuur een hogere capaciteit hebben aangetoond, overtroffen eMica-nanosheets nog steeds andere kleimineralen die zijn aangepast voor koolstofafvang.

De superieure CO₂ adsorptiecapaciteit van eMica-nanosheets kan worden toegeschreven aan een hoog specifiek oppervlak en porositeit tussen de geëxpandeerde lagen. Het specifieke oppervlak van dit 2D-materiaal was meer dan vervijfvoudigd, van 29,1 m2²/g in bulkmica tot 171,3m²/g in de nanosheets. De porositeit van de nanosheets was ook dramatisch hoger, waarbij het porievolume zevenvoudig toenam, van 0,145 cc/g in bulk mica tot 1,022 cc/g in eMica nanosheets.

CO₂ adsorptie kan ook zijn versterkt door afzettingen van kaliumcarbonaat (K₂CO₃) op de nanosheets, die worden gevormd wanneer kaliumkationen in mica reageren met water en CO₂ in de lucht. Het team ondersteunde deze hypothese met computersimulaties die een K₂CO₃ gedeponeerde mica-monolaag presteert beter dan zowel bulk-mica als een mica-monolaag in CO₂ adsorptie_.

Mechanisch, CO₂ wordt voornamelijk opgevangen door eMica-nanosheets door fysieke adsorptie, waardoor zwakkere elektrostatische aantrekkingen met het oppervlak worden gevormd. Dit staat in contrast met de sterkere ionische bindingen die ontstaan ​​wanneer CO₂ wordt chemisch geabsorbeerd op het oppervlak van de nanosheet, wat in mindere mate voorkomt. Dit overheersende mechanisme van fysisorptie zou CO gemakkelijker mogelijk maken₂ desorptie en de regeneratie van de eMica nanosheets.

Het onderzoeksteam ontdekte dat de nanosheets een sterk adsorptievermogen konden behouden wanneer ze werden onderworpen aan cyclische adsorptie-/desorptietests, wat de herstelbaarheid en stabiliteit van de eMica-nanosheets aantoonde. Assoc Prof Wu gelooft dat dit onderzoek van belang zal zijn voor de energieopwekkingssector, milieu- en regelgevende instanties en andere onderzoekers die nieuwe materialen en technologieën voor CO2 nastreven₂ vastlegging. Daarnaast draagt ​​zijn onderzoek bij aan de duurzaamheidsplannen van SUTD.

“CO₂ afvang is een belangrijk aspect van het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, een belangrijk aandachtsgebied voor de duurzaamheidsstrategie van SUTD. Ons werk aan het ontwikkelen van een efficiënte synthesemethode sluit aan bij de nadruk die de universiteit legt op duurzame bedrijfsvoering en duurzaam onderwijs en onderzoek’, zegt hij.

Assoc Prof Wu gaat vooruit en wil een schaalbare methode voor mica-exfoliatie ontwikkelen en de toepassingen van mica voor waterzuivering onderzoeken.

“De schaalbare fabricage van 2D-materialen met behulp van duurzame en kosteneffectieve methoden kan aanzienlijke implicaties hebben voor de industrie en de samenleving, zoals het verminderen van koolstofemissies en het verbeteren van de energie-efficiëntie. Over het algemeen hopen we dat dit onderzoek ons ​​begrip van 2D-materialen en hun potentieel zal vergroten toepassingen en bijdragen aan de ontwikkeling van duurzame en innovatieve technologieën”, zei hij.