Роль химии поверхности в адсорбции CO2 в биомассе

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8917 (2022) Цитировать эту статью

5468 Доступов

24 цитаты

17 Альтметрика

Подробности о метриках

Пористый уголь, полученный из биомассы, считается одним из наиболее эффективных адсорбентов для улавливания CO2 благодаря своей пористой структуре и высокой удельной поверхности. В этом исследовании мы успешно синтезировали пористый углерод из биомассы сельдерея и изучили влияние параметров внешней адсорбции, включая время, температуру и давление, на поглощение CO2 в экспериментальном и молекулярно-динамическом (МД) моделировании. Кроме того, с использованием МД-моделирования было исследовано влияние химии поверхности углерода (карбоксильные и гидроксильные функциональные группы) и типа азота на улавливание CO2. Результаты показали, что пиридиновый азот имеет большую склонность к адсорбции CO2, чем графитовый. Установлено, что одновременное присутствие этих двух видов азота оказывает большее влияние на сорбцию СО2, чем индивидуальное присутствие каждого в структуре. Также было обнаружено, что добавление к углеродной матрице карбоксильных групп (O=C–OH) увеличивает улавливание CO2 примерно на 10%. Кроме того, за счет увеличения времени моделирования и размера окна моделирования средняя абсолютная относительная ошибка для результатов моделирования оптимальной структуры снизилась до 16%, что является приемлемым значением и делает процесс моделирования надежным для прогнозирования адсорбционной способности в различных условиях.

Углекислый газ (CO2), как побочный продукт сгорания ископаемого топлива, является основной причиной необычных изменений климата и глобального потепления1,2,3. По оценкам, только электростанции, работающие на топливе, приведут к увеличению выбросов CO2 на 50% к 2030 году4. Однако из-за высокого спроса на ископаемое топливо, как на важный источник энергии, выбросов CO2 избежать невозможно. Поэтому в последние годы улавливанию и хранению CO2 уделяется значительное внимание, и были проведены обширные исследования по разработке материалов и новых подходов для эффективной адсорбции CO25. Потенциальные стратегии для представления адсорбции CO2 в потоках топливного газа под высоким давлением включают абсорбцию растворителем, мембранное разделение, адсорбцию при перепаде давления (PSA) и адсорбцию при перепаде температуры (TSA). PSA является потенциальным выбором из-за его простоты и удобства эксплуатации, низкой стоимости, энергосбережения (не требуется нагрева для регенерации) и экономической целесообразности, что особенно выгодно в случае средних и малых предприятий6,7, 8. Технология PSA представляет собой циклический адсорбционный процесс при разделении газов с использованием различных адсорбентов и характеристик адсорбционной способности. Тип адсорбента имеет решающее значение в этой процедуре для достижения превосходных характеристик разделения9,10. В результате было подтверждено, что различные твердые адсорбенты, включая MOF (металлоорганические каркасы), цеолиты, пористые полимеры, функционализированный пористый кремнезем, оксиды металлов, функционализированный активированный уголь и пористый уголь, подходят для этой цели11. Благодаря выдающимся текстурным характеристикам, большой площади поверхности, регулируемой пористости, высокой стабильности и низкой стоимости пористый уголь, полученный из биомассы, считается наиболее желательным адсорбентом для улавливания CO212.

Пористый углерод обычно используется в экологических и энергетических целях1. Они имеют большой потенциал в качестве носителей катализаторов и матриц для улавливания, хранения и разделения газов2,3. Увеличение площади поверхности, структуры пор и химического состава поверхности синтетических пористых углей недавно привело к разработке новых типов с улучшенной способностью к адсорбции CO2. Улавливание CO2 также можно регулировать, применяя определенный метод синтеза и добавляя функциональные группы, такие как азот, кислород и сера13,14. В частности, некоторые исследователи предположили, что наличие узкого объема микропор в пористом угле увеличивает его способность поглощать CO215.

Молекулы CO2 избирательно адсорбируются на поверхности адсорбентов в процессах адсорбции, когда перенос электронов между адсорбатом и адсорбентом не происходит. Явление физисорбции газов возникает, когда силы Ван-дер-Ваальса удерживают молекулы гораздо дольше, чем они могут на открытой поверхности, что облегчает десорбцию CO2 и регенерацию адсорбентов для повторного использования16. Поскольку адсорбция представляет собой сложное явление, крайне важно исследовать различные адсорбенты. Кроме того, трудно оценить значения адсорбции при неизмеримых температурах и давлениях. Таким образом, требуется их прогнозирование на промышленном и наноуровне. В результате молекулярное моделирование стало использоваться в качестве дополнительного метода экспериментальных измерений. Он обеспечивает существенное глубокое понимание деталей адсорбции и молекулярных взаимодействий между различными компонентами системы в качестве дополнительного источника данных о свойствах. Для оценки растворимости-адсорбции газа с использованием микроскопических методов можно использовать методы молекулярной динамики (МД) или Монте-Карло (МК)17,18. Наиболее точным методом моделирования среди различных подходов к моделированию является молекулярная динамика, которую можно приписать степени свободы метода. Подход в MC стохастический (вероятностный), а в MD метод детерминированный. В МД учитываются прямое движение молекул и их столкновения со стенками и другими молекулами. В целом этот подход основан на втором законе Ньютона, и путь частиц рассчитывается путем интегрирования этого уравнения. Макроскопические параметры системы можно получить, узнав маршрут, движение и скорость частицы, а затем усреднив вычисленные значения19. МД-моделирование, включая ab initio MD (AIMD), реактивное MD (RxMD) и нереактивное классическое MD, может дать понимание структурных и динамических особенностей на электронном или атомистическом уровне для прогнозирования диффузии газа. Этот метод представляет собой стабильную и адаптируемую методологию, которая позволяет пользователям отслеживать весь динамический курс системы в пространстве и времени20,21. Кроме того, для определения степени насыщения при различных значениях температуры и давления можно использовать грандиозное каноническое моделирование Монте-Карло (GCMC). Теплоту адсорбции также можно рассчитать, просто используя величину адсорбции. Были проведены исследования для определения факторов, влияющих на степень адсорбции CO2 на различных материалах22. По данным Xiancheng Ma et al., микропористый углерод с кислородными функциональными группами был получен путем гидротермальной обработки активации биомассы. В этом случае моделирование GCMC показало, что кислородные группы и поровые структуры на 63% и 37% ответственны за адсорбцию CO2 соответственно. Также выяснилось, что функциональные группы кислорода удерживают CO2 посредством электростатических взаимодействий15. Более того, Чен и др. выполнили GCMC и MD моделирование для изучения поведения адсорбции и диффузии CH4 в нанопорах сланца с различным диаметром пор в диапазоне давлений до 20 МПа и при определенной температуре. Эта модель позволяла прогнозировать характеристики пространственного распределения, такие как распределение свободной зоны и зоны адсорбции, распределение количества газа, распределение плотности газа, соотношение свободного и поглощенного газа17. Либин Чонг и др. также использовало моделирование MD и MC для исследования и сравнения адсорбции CO2, CH4 в незрелом керогене типа II. CH4 и CO2 продемонстрировали аналогичную адсорбцию в микропорах матрицы из-за их одинаковой способности к набуханию и плотной удерживающей среды. Было обнаружено, что большее поглощение CO2 по сравнению с CH4 в керогене связано с пористостью мезоразмера23. Синьран Ю и др. определил объем пустот углеродной нанощели с помощью моделирования GCMC и получил необходимые экспериментальные условия для смягчения эффекта адсорбции гелия. Кроме того, они исследовали захват гелия и его локальную плотность в поре24. На рисунке 1 представлен обзор различных газов-жидкостей, захваченных твердыми адсорбентами в предыдущих исследованиях25,26,27,28.