Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie et de l'Université du Tennessee, Knoxville, font progresser les matériaux de membrane à gaz pour élargir les options technologiques pratiques pour réduire les émissions de carbone industrielles.

Résultats publiés dans Chimie démontrer une méthode de fabrication de matériaux membranaires capable de surmonter les goulets d'étranglement actuels en matière de sélectivité et de perméabilité, variables clés qui déterminent les performances de capture du carbone dans des environnements réels.

"Souvent, il y a un compromis entre la sélectivité ou la perméabilité des membranes qui filtrent le dioxyde de carbone sans laisser passer d'autres gaz. Le scénario idéal est de créer des matériaux avec une perméabilité et une sélectivité élevées, " a déclaré Zhenzhen Yang du département de chimie de l'UT.

Les membranes à gaz sont une technologie prometteuse mais encore en développement pour réduire les émissions de post-combustion ou de gaz de combustion produites par les industries à combustibles fossiles.

Le concept est simple :un mince, la membrane poreuse agit comme un filtre pour les mélanges de gaz d'échappement, permettant sélectivement le dioxyde de carbone, ou CO 2 , de s'écouler librement dans un collecteur maintenu sous pression réduite, mais empêchant l'oxygène, l'azote et d'autres gaz de traîner le long.

Contrairement aux méthodes chimiques existantes pour capturer le CO 2 issus de procédés industriels, Les membranes sont faciles à installer et peuvent fonctionner sans surveillance pendant de longues périodes sans étapes supplémentaires ni coûts énergétiques supplémentaires. Le hic, c'est que nouveau, des matériaux rentables sont nécessaires pour étendre la technologie en vue de son adoption commerciale.

« Les membranes à gaz ont besoin d'une pression d'un côté et généralement d'un vide de l'autre pour maintenir un environnement à écoulement libre, c'est pourquoi la sélectivité et la perméabilité des matériaux sont si importantes pour développer la technologie, " a déclaré Ilja Popovs de la division des sciences chimiques de l'ORNL. " Les matériaux sous-performants nécessitent plus d'énergie pour pousser les gaz à travers le système, les matériaux avancés sont donc essentiels pour maintenir les coûts énergétiques bas. »

Aucune matière naturelle et seulement quelques matières synthétiques ont dépassé ce qu'on appelle la limite supérieure Robeson, une limite connue qui limite le degré de sélectivité et de perméabilité de la plupart des matériaux avant que ces taux ne commencent à baisser.

Les matériaux avec une sélectivité et une perméabilité suffisamment élevées pour des séparations de gaz efficaces sont rares et souvent fabriqués à partir de matières premières coûteuses dont la production nécessite soit une synthèse longue et fastidieuse, soit des catalyseurs de métaux de transition coûteux.

"Nous avons décidé de tester une hypothèse selon laquelle l'introduction d'atomes de fluor dans les matériaux membranaires pourrait améliorer les performances de capture et de séparation du carbone, " a dit Yang.

L'élément fluor, utilisé pour fabriquer des produits de consommation tels que le téflon et le dentifrice, offre des propriétés de dioxyde de carbone qui le rendent attrayant pour les applications de capture de carbone. Il est également largement disponible, ce qui en fait une option relativement abordable pour les méthodes de fabrication à faible coût. La recherche sur les membranes de gaz fluorés a été limitée en raison des défis fondamentaux liés à l'incorporation du fluor dans les matériaux pour réaliser sa fonctionnalité d'amour du carbone.

« Notre première étape a été de créer un polymère à base de fluor unique en utilisant des méthodes chimiques simples et des matériaux de départ disponibles dans le commerce, " a dit Yang.

Prochain, des chercheurs transformés, ou carbonisé, le matériau utilisant la chaleur pour lui donner la structure poreuse et la fonctionnalité nécessaires pour capturer le CO 2 . Le processus en deux étapes a préservé les groupes fluorés et augmenté le CO 2 sélectivité dans le matériau final, surmonter un obstacle fondamental rencontré dans d'autres méthodes synthétiques.

"L'approche a abouti à un matériau philique au dioxyde de carbone avec une surface spécifique élevée et des ultra-micropores qui est stable dans des conditions de fonctionnement à haute température, " Yang said. "All of these factors make it a promising candidate for carbon-capture and separation membranes."

The material's novel design contributes to its exceptional performance, observed in high selectivity and permeability rates that exceed the Robeson upper limit, something only a handful of materials have accomplished.

"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.

The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.

Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO 2 , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO 2 emissions.