Le réchauffement climatique a été attribué à la forte augmentation des émissions de gaz à effet de serre qui piègent la chaleur, en particulier le CO2. émissions. Technologie de capture du carbone, telle que l'utilisation d'adsorbants pour capturer et stocker le CO2 de l'air ambiant, est une solution prometteuse pour atténuer les émissions.
Les absorbants liquides sont traditionnellement utilisés pour le captage du carbone, mais ils souffrent de corrosion des équipements, de coûts élevés et de besoins énergétiques élevés pour la régénération. Pour surmonter ces limitations, des matériaux poreux solides pour le CO2 adsorption – dans laquelle le CO2 les atomes adhèrent à la surface du matériau solide – sont en cours d'exploration.
Dans ses recherches sur la capture du carbone, le professeur agrégé Wu Ping de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) s'est tourné vers le mica, un minéral argileux bon marché et abondant avec diverses applications.
Le mica forme des couches de silicate d'alumine en forme de feuille reliées par des cations potassium intercalaires via des liaisons ioniques. Cependant, la structure complexe rend difficile la séparation du mica en une ou plusieurs couches pour former des nanofeuilles bidimensionnelles (2D) propices au CO2. capturer. Les méthodes développées par des études antérieures ont également nécessité de longs temps de réaction et une consommation d'énergie élevée.
Pour développer une méthode efficace pour produire des nanofeuilles de mica 2D, le professeur Assoc Wu et son équipe SUTD ont collaboré avec des chercheurs de l'Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR). Ils ont publié leur article de recherche "Synthèse efficace de nanofeuilles de mica 2D par des techniques solvothermiques et assistées par micro-ondes pour le CO2 capturer des applications" dans Matériaux.
"En nous appuyant sur nos récentes percées en mécanochimie, nous avons combiné de manière innovante les techniques de chimie des micro-ondes et de mécanochimie solvothermique. En exploitant l'énergie des micro-ondes et des processus solvothermiques, nous avons pu convertir cette énergie en énergie de déformation au sein d'interfaces solide-liquide-gaz, facilitant la synthèse de nanofeuilles de mica exfolié (eMica). Ces actions entraînent une exfoliation rapide et un temps de réaction considérablement réduit", a expliqué le professeur associé Wu.
L’équipe de recherche a combiné du mica naturel avec de l’hydroxyde de potassium dans un solvant polaire à l’intérieur d’un récipient de réaction fermé. Cette réaction a ensuite été chauffée au micro-ondes, transférant de l’énergie au solvant polaire absorbant les micro-ondes et aux réactifs. Associé à la pression auto-générée à l’intérieur du récipient, le mica s’exfolie rapidement avec un temps de réaction considérablement réduit. Le mica traité aux micro-ondes a ensuite été soniqué pour dilater et séparer davantage les couches. Après plusieurs cycles de purification, l'équipe a synthétisé des nanofeuilles d'eMica.
Par rapport au mica en vrac, les couches de nanofeuilles eMica sont plus uniformes en termes de taille et d’épaisseur latérales. De plus, les nanofeuilles eMica présentent un arrangement atomique ordonné, indiquant leur haute qualité et leurs défauts minimes.
Le professeur associé Wu et son équipe ont ensuite étudié le potentiel des nanofeuilles pour le CO2 capturer des applications. Ils ont constaté que le CO2 La capacité d'adsorption des nanofeuilles d'eMica était 87 % supérieure à celle du mica en vrac. Bien que d'autres types de matériaux d'adsorption dans la littérature aient démontré une capacité plus élevée, les nanofeuilles d'eMica ont quand même surpassé les autres minéraux argileux qui ont été modifiés pour la capture du carbone.
Le CO2 supérieur La capacité d'adsorption des nanofeuilles eMica peut être attribuée à une surface spécifique élevée et à une porosité entre ses couches expansées. La surface spécifique de ce matériau 2D a été multipliée par plus de cinq, passant de 29,1 m 2 /g de mica en vrac à 171,3 m 2 /g dans les nanofeuilles. La porosité des nanofeuilles était également considérablement plus élevée, le volume des pores étant multiplié par sept, passant de 0,145 cc/g dans le mica en vrac à 1,022 cc/g dans les nanofeuilles eMica.
CO2 l'adsorption aurait également pu être favorisée par des dépôts de carbonate de potassium (K2 CO3 ) sur les nanofeuillets, qui se forment lorsque les cations potassium du mica réagissent avec l'eau et le CO2 dans l'air. L'équipe a soutenu cette hypothèse avec des simulations informatiques qui ont démontré un K2 CO3 monocouche de mica déposée surpassant à la fois le mica en vrac et une monocouche de mica en CO2 adsorption.
Mécaniquement, CO2 est capturé par les nanofeuilles eMica principalement par adsorption physique, formant des attractions électrostatiques plus faibles avec la surface. Cela contraste avec les liaisons ioniques plus fortes qui se forment lorsque le CO2 est chimiquement absorbé à la surface de la nanofeuille, ce qui se produit dans une moindre mesure. Ce mécanisme prédominant de physisorption permettrait une évacuation plus facile du CO2 désorption et régénération des nanofeuillets eMica.
L'équipe de recherche a découvert que les nanofeuilles étaient capables de maintenir une forte capacité d'adsorption lorsqu'elles étaient soumises à des tests d'adsorption/désorption cycliques, démontrant la capacité de récupération et la stabilité des nanofeuilles eMica. Le professeur Assoc Wu estime que cette recherche intéressera le secteur de la production d'électricité, les agences environnementales et réglementaires et d'autres chercheurs qui recherchent de nouveaux matériaux et technologies pour le CO2. capturer. De plus, ses recherches contribuent aux plans de durabilité de SUTD.
"CO2 le captage est un aspect important de l’atténuation des émissions de gaz à effet de serre, un domaine d’intervention clé de la stratégie de durabilité de SUTD. Notre travail sur le développement d'une méthode de synthèse efficace s'aligne sur l'accent mis par l'université sur les opérations durables ainsi que sur l'éducation et la recherche durables", a-t-il commenté.
Pour aller de l'avant, le professeur Assoc Wu vise à développer une méthode évolutive d'exfoliation du mica et à explorer les applications du mica pour la purification de l'eau.
"La fabrication évolutive de matériaux 2D à l'aide de méthodes durables et rentables pourrait avoir des implications significatives pour l'industrie et la société, telles que la réduction des émissions de carbone et l'amélioration de l'efficacité énergétique. Dans l'ensemble, nous espérons que cette recherche fera progresser notre compréhension des matériaux 2D et de leur potentiel. applications et contribuer au développement de technologies durables et innovantes", a-t-il déclaré.
Plus d'informations : P. Vishakha T. Weerasinghe et al, Synthèse efficace de nanofeuilles de mica 2D par des techniques solvothermiques et assistées par micro-ondes pour les applications de capture du CO2, Matériaux (2023). DOI :10.3390/ma16072921
Fourni par l'Université de technologie et de design de Singapour
