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石墨烯-多孔材料,高效CO2捕獲!最新Nature Energy!

石墨烯-多孔材料,高效CO2捕獲!最新Nature Energy!

第一作者:Kuang-Jung Hsu
通訊作者:Kumar Varoon Agrawal
通訊單位:瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院
論文速覽
基于多孔二維(2D)選擇性層的膜具有實現(xiàn)卓越性能的潛力,從而提高能效并降低碳捕獲成本。目前,從2孔中分離已經(jīng)利用了分子質(zhì)量或大小的差異,但具有產(chǎn)生高滲透性和選擇性潛力的二氧化碳(CO2)競爭性吸附仍然難以實現(xiàn)。
本論文探討了基于多孔2D選擇層的膜技術(shù),以提高CO2捕獲的性能,從而改善能源效率并降低碳捕獲的成本。研究發(fā)現(xiàn),通過在室溫下將氨暴露于氧化單層石墨烯,可以在孔邊緣引入吡啶氮,實現(xiàn)對CO2的高度競爭但可逆的結(jié)合。該技術(shù)展示了優(yōu)異的CO2/N2分離因子(平均53)和CO2滲透率(平均10420),在含有20 wt.% CO2的氣流中表現(xiàn)出色。此外,對于稀薄的(約1 wt.%)CO2氣流,分離因子達到1000以上,顯示出膜材料有望從不同的點排放源中捕獲碳的潛力。
圖文導(dǎo)讀
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圖1:吡啶氮摻雜石墨烯的CO2吸附過程。
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圖2:在吡啶-N-取代的石墨烯上,吸收CO2
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圖3:在吡啶-N-取代的石墨烯上,定量可逆的CO2吸附。
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圖4:EDS和拉曼光譜證實吡啶取代石墨烯中的N官能團
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圖5:吡啶取代石墨烯的CO2吸附和氣體傳輸性能
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圖6:吡啶-N-取代石墨烯人的碳捕獲性能。
總結(jié)展望
本研究開發(fā)了一種具有2D孔隙的石墨烯膜,通過在孔邊緣引入吡啶氮原子,顯著提高了對CO2的吸附能力和選擇性。實驗結(jié)果顯示,該膜在稀薄CO2氣流中表現(xiàn)出超過1,000的CO2/N2分離因子,以及高達10,420 GPU的CO2滲透率。
這些結(jié)果不僅證明了膜技術(shù)在碳捕獲領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,也為未來開發(fā)高性能的吸附劑、傳感器和催化劑提供了新的方向。研究還表明,該膜技術(shù)具有高度的可擴展性,有望在大面積樣品中實現(xiàn)應(yīng)用。
文獻信息
標(biāo)題:Graphene membranes with pyridinic nitrogen at pore edges for high-performance CO2 capture
期刊:Nature Energy
DOI:10.1038/s41560-024-01556-0

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