Smanjenje emisije ugljen-dioksida (CO₂) je ključni korak ka ublažavanju klimatskih promena i zaštiti životne sredine na Zemlji. Jedna od predloženih tehnologija za smanjenje emisije CO₂, posebno iz elektrana i industrijskih objekata, je hvatanje ugljenika.
Zahvatanje ugljenika podrazumeva odvajanje CO₂ iz mešovitih gasnih emisija i njegovo hvatanje kako bi se sprečilo njegovo ispuštanje u vazduh. Jedan pristup da se ovo uradi je korišćenje specijalnih membrana koje služe kao selektivne „prepreke“, omogućavajući CO₂ da prođe kroz njih i da ga apsorbuje, dok blokiraju prolaz drugih gasova.
Do sada se razvoj membrana visokih performansi i niske cene koje mogu uhvatiti CO₂ pokazao izazovnim. Ovo je značajno smanjilo potencijal ovih rešenja za primene u stvarnom svetu.
Istraživači na Ecole Politechnikue Federale de Lausanne (EPFL) nedavno su predstavili nove grafenske membrane koje bi mogle omogućiti hvatanje ugljenika visokih performansi. Ove membrane, predstavljene u radu objavljenom u Nature Energi, sadrže piridinski azot na ivicama pora, što olakšava vezivanje CO₂ za njegove pore.
„Hteli smo da unapredimo performanse odvajanja grafenskih membrana“, rekao je za Phis.org Kumar Varoon Agraval, dopisni autor rada. „Radili smo mnogo na povećanju poroznosti u grafenu, poboljšanju distribucije veličine pora i dodavanju polimernih grupa u pore kako bismo poboljšali selektivnost CO₂/N 2 kao i dobili visoku propusnost CO₂. Međutim, dobili smo visoku propusnost ili visoka selektivnost, ali ne oboje.“
Nakon pregleda prethodne literature i sprovođenja sopstvenih studija usmerenih na razvoj membrana za hvatanje ugljenika, Agraval i njegove kolege su shvatili da još uvek nedostaju membrane zasnovane na grafenu koje pokazuju i visoku selektivnost i propusnost. Da bi krenuli ka razvoju ovih rešenja, krenuli su da osmisle metodu koja bi poboljšala vezivanje CO₂ za pore grafena.
Metoda koju su predložili podrazumeva izlaganje amonijaka oksidovanom jednoslojnom grafenu na sobnoj temperaturi. Utvrđeno je da ovaj proces uključuje piridinski azot na ivicama pore membrane, što pojačava vezivanje ovih pora sa CO₂.
„Uveli smo atomski N u pore grafena u obliku piridinskog N“, rekao je Agraval. „Ovaj oblik N ima visok afinitet prema CO₂. Ovaj pristup je koristan jer rešetka grafena ostaje tanka kao atom i omogućava nam da dobijemo i visoku selektivnost i permeansu.“
Istraživači su otkrili da je njihov metod doveo do membrana sa obećavajućim prosečnim faktorom odvajanja CO₂/N 2 od 53 i prosečnom propusnošću CO₂ od 10.420 iz struje koja sadrži 20 vol% CO₂. Za razblaženu struju CO₂ sa zapreminskim % od ~1, membrana je dostigla faktore razdvajanja iznad 1000.
„Mogli bismo da izvršimo ugradnju piridinskog N jednostavnom metodom, jednostavno natapanjem poroznog grafena u amonijak“, rekao je Agraval. „Primetili smo da je ovo dovelo do značajnog poboljšanja selektivnosti CO₂/N 2 uz održavanje izuzetne permeabilnosti. Takođe, ovo je dovelo do izuzetno visoke selektivnosti CO₂/N 2 za razblaženu CO₂ hranu, iznad 1000, što je izuzetno atraktivno.“
Grafenske membrane koje su razvili Agraval i njegove kolege i pristup korišćen za njihovu proizvodnju mogli bi otvoriti nove mogućnosti za široku primenu tehnika hvatanja ugljenika. Istraživači sada rade na povećanju membrana i pojednostavljivanju njihove proizvodnje sintezom roll-to-roll, kako bi se olakšala njihova buduća komercijalizacija.
