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Apr 08, 2024

酸化グラフェン/ポリマー複合材料のさまざまな機能が CO2 の選択的捕捉に及ぼす影響の実験的および理論的研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15992 (2022) この記事を引用する

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15992 (2022) この記事を引用

継続的に増加する大気中の CO2 濃度を低減し、さまざまな条件 (温度、圧力) や排ガスの組成下で効果的な解決策を提供できる汎用性の高い技術が常に必要とされています。 この研究では、容易に拡張可能で安価で環境に優しい CO2 回収技術を開発することを目的として、CO2 回収アプリケーションの多用途で有望な候補として、酸化グラフェン (GO) と官能化水性ポリマー粒子の組み合わせが研究されました。 ポリマー粒子を機能化し、複合ナノ構造に親 CO2 性を与えるために選択できるさまざまな機能性モノマーには大きな可能性があります。 密度汎関数理論 (DFT) は、これらの複雑な複合材料と CO2 および N2 分子との相互作用をより深く理解し、機能性モノマーを効率的にスクリーニングするための基礎を構築するために採用されました。 CO2 と、メタクリル酸メチル、アクリル酸 n-ブチル、およびさまざまな機能性モノマーのコポリマーからなる GO/ポリマー複合材料のセットとの間の結合エネルギーを推定すると、それがポリマーの官能基に強く依存することがわかりました。 GOの連携効果が得られないケースもある。 これは、著しく強力な GO ポリマー結合により、効果的な CO2 ポリマー相互作用が誘発されなかったことによって説明されます。 実験結果と比較すると、ナノ複合構造が同様の組織特性を示した場合、N2 よりも選択的な CO2 捕捉に関して同じ傾向が得られました。 CO2 捕捉のための新しい機能性材料と、CO2 分子とさまざまな材料との相互作用のより深い理解に加えて、この研究はさらに、DFT 計算が CO2 の選択的捕捉のための複合材料の最適な機能化の効率的な選択に向けた近道となり得ることを示しています。

化石燃料の埋蔵量が依然として手頃であり、発展途上国が経済成長の過程にあるため、大気中の温室効果ガス濃度の大幅かつ継続的な増加は、今日最も根本的かつ永続的な問題の 1 つとなっています。 さまざまな温室効果ガスの中でも、二酸化炭素 (CO2) は地球温暖化シナリオの主要な役割を果たしています1。 世界の CO2 回収能力は 2020 年までに 4,000 万トンに達しましたが、気候変動に重大な影響を与えるには、年間ギガトンの CO2 を回収する必要があります2。 グリーン エネルギー技術は化石燃料エネルギー源に取って代わるには程遠いため、CO2 排出量の削減、ひいては地球温暖化の削減は、今日最も困難な環境問題の 1 つです。 したがって、効率的、選択的、かつ低コストの炭素回収技術の開発が極めて重要です2。 化学的/物理的吸着 3、酵素変換 4、膜分離 5 などの戦略が潜在的な解決策として浮上しています。

CO2 捕捉用にさまざまな吸着剤が提案されています 6,7,8。具体的には、多孔質ポリマー、イオン交換樹脂、共有結合および金属有機骨格、ゼオライト、シリカおよびアルミナベースの材料、金属酸化物などです。ゼオライトベースの吸着剤など、吸着容量が低い（または飽和までに長い時間がかかる）、化学的/熱的安定性および/または他のガスと比較した選択性が低い、または水分の存在下で活性が低下するという問題があります9 、10．

炭素ベースの吸着剤は、最も高い吸着容量と再生に必要なエネルギーが比較的低いため、前述の欠点のほとんどを克服する有望な代替品として浮上しています6、7、8。 さらに、大きな表面積、サイクル操作における安定性、容易に機能化できる多孔質構造、および速い吸着速度論などの特徴により、それらは最も有望な吸着剤の 1 つとして支持されています。 これらの材料のうち、グラフェンとその誘導体は製造コストが低いため、商業利用が検討されています11。 吸着能力と分離能力をさらに向上させることを目的として、ヘテロ原子 (N、S、O など) によるグラフェン表面の官能基化や、ポリピロール 12、ポリアニリン 13、ポリインドール 14、ポリチオフェン 15 などのポリマーとの複合材料の製造が広く研究されています。 、モノ-、ジ-、およびトリエチレン-トリアミン16、テトラエチレンペンタミン17、ポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)/ポリスチレンスルホン酸18、ポリ(ジメチルシロキサン)19、ポリエーテルブロックアミド20、ポリエチレン-イミン21、さらに金属有機骨格を伴う22。