Исследователи сосредоточились на гибридной мембране, которая представляет собой частично полимерный и частично металлоорганический каркас, который представляет собой пористый трехмерный кристалл с большой площадью внутренней поверхности, способный поглощать огромное количество молекул.Сначала ученые сконструировали мембрану так, чтобы молекулы углекислого газа могли проходить через нее по двум отдельным каналам. Молекулы могут проходить через полимерный компонент мембраны, как в обычных газоразделительных мембранах.
Или молекулы могут течь по «магистралям углекислого газа», создаваемым соседними металлоорганическими каркасами.Первоначальные испытания показывают, что этот двухмаршрутный подход делает гибридную мембрану в восемь раз более проницаемой для диоксида углерода, чем мембраны, состоящие только из полимера.
Повышение проницаемости для углекислого газа является важной целью разработки материалов для улавливания углерода, которые являются энергоэффективными и конкурентоспособными по стоимости.Исследование — это обложка мартовского номера журнала Energy.
Наука об окружающей среде.«В нашей мембране одни молекулы СО2 ускоренно перемещаются по магистралям, образованным металлоорганическими каркасами, в то время как другие выбирают полимерный путь. Этот новый подход позволит разработать более эффективные газоразделительные мембраны», — говорит Норман Су, выпускник студент факультета химической и биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Беркли и пользователь в Molecular Foundry.
Он проводил исследование с Джеффом Урбаном, директором завода по производству неорганических наноструктур в Molecular Foundry, и группой ученых, в которую входили сотрудники Advanced Light Source.
Улавливание выбросов углерода от электростанций и других источников — горячая тема для исследований, потому что есть много возможностей для улучшения. Обычным способом отделения диоксида углерода от дымового газа является адсорбция амина, что неэкономично в масштабе, поскольку увеличивает капитальные затраты и снижает электрическую мощность электростанций.
Ученые исследуют полимерные мембраны как более энергоэффективную альтернативу адсорбции амина. Эти мембраны относительно недороги и с ними легко работать, но современные коммерческие мембраны имеют низкую проницаемость для диоксида углерода.
Чтобы преодолеть это, ученые разработали гибридные мембраны, которые являются частично полимерным, а частично металлоорганическим каркасом. Эти гибриды используют селективность металлоорганических каркасов по диоксиду углерода, сохраняя при этом технологичность полимеров.Но до сих пор ученым не удавалось создать гибридные мембраны с достаточным количеством металлоорганических каркасов, чтобы образовывать непрерывные каналы через мембрану.
Это означает, что где-то в пути молекулы углекислого газа через мембрану молекула должна контактировать с полимером. Это ограничивает транспорт молекулы к полимеру.В этом последнем исследовании ученые лаборатории Беркли разработали гибридную мембрану, в которой металлоорганические каркасы составляют 50 процентов ее веса, что примерно на 20 процентов больше, чем у других гибридных мембран. Ранее механическая стабильность гибридной мембраны ограничивала количество металлорганических каркасов, которые могли быть упакованы в нее.
«Но мы довели нашу мембрану до 50 весовых процентов без ущерба для ее структурной целостности», — говорит Су.И 50 весовых процентов, кажется, магическое число.
На этом пороге в мембране так много металлоорганических каркасов, что они образуют непрерывную сеть магистралей через мембрану. Когда это происходит, гибридная мембрана переключается с одного канала для транспортировки диоксида углерода, в котором молекулы должны проходить через полимер, на два канала, в которых молекулы могут перемещаться либо через полимер, либо через магистрали металл-органический каркас. . «Это первая гибридная мембрана полимер-MOF, которая имеет эти двойные пути переноса, и это может стать большим шагом к более конкурентоспособным процессам улавливания углерода», — говорит Су.
Помимо изготовления гибридной мембраны в Молекулярной литейной, ученые проанализировали материал на линии 12.2.2 усовершенствованного источника света.