Membranas de grafeno de alta seletividade aumentam a eficiência da captura de CO₂

Reduzir as emissões de dióxido de carbono (CO₂) é um passo crucial para mitigar as mudanças climáticas e proteger o meio ambiente na Terra. Uma tecnologia proposta para reduzir as emissões de CO₂, particularmente de usinas de energia e estabelecimentos industriais, é a captura de carbono.

A captura de carbono envolve a separação de CO₂ de emissões de gases mistos e sua captura para evitar sua liberação no ar. Uma abordagem para fazer isso é usar membranas especiais que servem como “barreiras” seletivas, permitindo que o CO₂ passe por elas e o absorva, enquanto bloqueia a passagem de outros gases.

Até agora, desenvolver membranas de alto desempenho e baixo custo que podem capturar CO₂ tem se mostrado desafiador. Isso reduziu significativamente o potencial dessas soluções para aplicações no mundo real.

Pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) introduziram recentemente novas membranas de grafeno que podem permitir captura de carbono de alto desempenho. Essas membranas, apresentadas em um artigo publicado em Energia da Naturezaincorporam nitrogênio piridínico nas bordas dos poros, o que facilita a ligação de CO₂ aos seus poros.

“Estávamos procurando melhorar o desempenho de separação de membranas de grafeno”, disse Kumar Varoon Agrawal, autor correspondente do artigo, ao Phys.org. “Fizemos muito trabalho aumentando a porosidade do grafeno, melhorando a distribuição de tamanho dos poros e adicionando grupos de polímeros ao poro para melhorar o CO₂/N₂ seletividade, bem como obter alto CO₂ permeância. No entanto, obtivemos alta permeabilidade ou alta seletividade, mas não ambas.”

Após revisar a literatura anterior e conduzir seus próprios estudos visando desenvolver membranas para captura de carbono, Agrawal e seus colegas perceberam que membranas baseadas em grafeno exibindo alta seletividade e permeabilidade ainda estavam faltando. Para avançar em direção ao desenvolvimento dessas soluções, eles se propuseram a elaborar um método que melhoraria a ligação de CO₂ aos poros de grafeno.

O método que eles propuseram envolve expor amônia a grafeno oxidado de camada única em temperatura ambiente. Descobriu-se que esse processo incorpora nitrogênio piridínico nas bordas dos poros da membrana, o que aumenta a ligação desses poros com CO₂.

“Introduzimos N atômico no poro do grafeno na forma de N piridínico”, disse Agrawal. “Esta forma de N tem alta afinidade com CO₂. Essa abordagem é benéfica porque a rede de grafeno permanece fina como um átomo e nos permite obter alta seletividade e permeabilidade.”

Os pesquisadores descobriram que seu método levou a membranas com uma média promissora de CO₂/N₂ fator de separação de 53 e um CO médio₂ permeabilidade de 10.420 de um fluxo contendo 20 vol% de CO₂. Para um CO diluído₂ fluxo com um volume % de ~1, a membrana atingiu fatores de separação acima de 1.000.

“Poderíamos realizar a incorporação de N piridínico por um método simples, simplesmente embebendo grafeno poroso em amônia”, disse Agrawal. “Percebemos que isso levou a uma melhora notável em CO₂/N₂ seletividade, mantendo permeabilidade excepcional. Além disso, isso levou a um CO extremamente alto₂/N₂ seletividade para CO diluído₂ feed, acima de 1.000, o que é extremamente atraente.”

As membranas de grafeno desenvolvidas por Agrawal e seus colegas e a abordagem usada para fabricá-las podem abrir novas oportunidades para a implementação em larga escala de técnicas de captura de carbono. Os pesquisadores agora estão trabalhando para aumentar a escala das membranas e simplificar sua fabricação por síntese roll-to-roll, para facilitar sua comercialização futura.

© 2024 Rede Ciência X