Porøse organiske krystaller med overlegne egenskaber som CO2 Adsorbenter blev oprettet af forskere ved Institute of Science Tokyo. På grund af romanen 2,5-dimensionelt skelet har materialerne ultrahigh-densitet-aminer. Det kovalent bundet mikroporøse skelet og høj krystallinitet realiserer hurtig co2 Adsorption og høj termisk stabilitet. Deres lave adsorptionsvarme, kun en fjerdedel af den aktuelle aminskrubningsmetode, og deres lyselementel karakter kan reducere omkostningerne for CO2 Adskillelse fra røggasser.
For at afbøde klimaændringer, co2 Emissioner fra store industrielle faciliteter skal reduceres. At adskille co2 Fra røggasserne er den vigtigste strømteknologi aminskrubbningsmetoden, hvor en vandig opløsning af aminmolekyler cirkuleres i indfangningsfaciliteten for at udføre cyklisk at udføre fangst og frigivelse af CO2. Imidlertid lider denne metode af angiveligt høje driftsomkostninger og adskillige problematiske aspekter af aminopløsninger, såsom høj miljørisiko og korrosivitet over for stål.
De høje omkostninger opstår som følge af nødvendigheden af også at opvarme det flydende vand, som er et opløsningsmiddel for aminmolekylerne, og til at generere damp, der kræver et stort energiindgang til at generere, i regenereringsprocessen for at stribe den indfangede co2 fra aminmolekylerne. De høje omkostninger er også forårsaget af den overdrevent store reaktionsvarme (betegnet Q; typisk i området 80–100 kJ/mol).
For at undgå de høje omkostninger skal man derfor ophøre med brugen af vandig aminopløsning og mindske Q så lavt som muligt. For at opnå det første er brugen af faste sorbenter rimelig. Men hvis vi bruger ikke-porøse faste stoffer, ville optagelseshastigheden være utåleligt langsom. Således bør vi bruge porøse faste stoffer. Brugen af faste sorbenter ville også løse problemerne med korrosion og miljørisiko.
At opnå det andet er vanskeligere, fordi en høj Q sikrer hastigheden af CO2 Fangst og høj selektivitet til at co2 over andre arter i luft som nitrogen og ilt. Med andre ord, q på et niveau, der er for lavt, vil forårsage en utålelig lav co2 Opfangning af hastighed og lav selektivitet til CO2. Derfor, for at reducere omkostningerne, er vi nødt til at reducere Q uden at ofre CO2 Opfangning af hastighed og selektivitet til CO2. Det er det tekniske dilemma.
De organiske porøse materialer, der for nylig blev rapporteret af forskerne fra Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), har en lidt ejendommelig struktur. Oprindeligt forsøgte forskerne at polymerisere to slags monomerer, som er et tetrahedralt molekyle med fire primære aminer (-nh2) på toppunktet (TAM) og et trekantmolekyle med aldehyder (-cho) på toppunktet (TFPT/TFPB).
Her, -nh2 og -cho tjener som “hænder” til at danne en kovalent binding; en “rystende hænder” mellem -nh2 og -cho er kendt for at danne en iminbinding (-HN = c-), en type kovalent binding, med en frigivelse af en H2O molekyle. Forskeren mente, at de ville opnå faste stoffer med granulære former som et resultat af en tredimensionel (3D) netværksdannelse, som geometrisk forventet af de “fire hænder” af Tetrahedron-monomeren. Kort sagt planlagde de at generere 3D-kovalente organiske rammer (3D-COFS).
Deres forventning gik imidlertid ikke i opfyldelse. I stedet opnåede de to-dimensionelle (2D) faste stoffer sammensat af stablede lag. Morfologien ligner grafit, der er sammensat af stablede lag af grafen (et atomlag af hexagonalt bundet carbonatomer). Forskerne blev forundrede over denne morfologi, som er en typisk morfologi af 2D kovalente organiske rammer (2D-COFS).
Svaret blev afsløret ved en-krystal røntgenstrålediffraktionsanalyse. De lagdelte faste stoffer var sammensat af korrugerede rammelag konstrueret med iminbindinger af 3D-forbindelse, hvilket endte i en makroskopisk to-dimensionelt udvidet polymer til et lag.
Stablingen af lagene resulterede i dannelsen af de lagdelte faste stoffer. Fordi en sådan rammestruktur var uventet fra geometrien for monomererne og ikke matchede tidligere skildringer eller definitioner af 2D-Cofs eller 3D-COF’er, mente forskerne, at det ville være passende at kalde sådanne materialer 2,5-dimensionelle COF’er (2,5D-COFS ).
Da denne struktur blev konstrueret ved hjælp af kun tre hænder af en tetrahedral monomer, forlades en hånd ubrugt pr. Monomer i materialet. Følgelig har materialet unikt ultrahøjtæthedsamine (-nh2) dele, hvor alle -nh2 arrayes regelmæssigt og peger normalt på 2D -lagen. Dette materiale er mikroporøst (porestørrelse: 6–7 Å) og -nh2 er den del, der mere eller mindre har en evne til at fange co2 Molekyler.
Projektlederprofessor Yoichi Murakami kommenterede, “Selvom strukturen blev forventet, da jeg først kiggede på den lagdelte morfologi, var jeg begejstret, da resultaterne af den enkelte krystal røntgenstråle-diffraktionsanalyse faktisk udviste en sådan hidtil uset netværksstruktur. Bemærkning af en sådan ultrahigh -Adensitet Array of Primary Amines I disse materialer besluttede vores gruppe snart at undersøge CO2 Adsorptionsegenskaber. Ejendommene var meget gode, som vi forventede. “
I deres undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikationforskerne fandt, at adsorptionsvarmen, Q, var meget lavere (ca. 25 kJ/mol) end den i aminskrubbemetoden (typisk 80–100 kJ/mol) og andre porøse organiske materialer. Det er vigtigt, at disse 2,5D-COF’er ikke lider af det førnævnte dilemma. På trods af deres markant lave Q udviste de tilstrækkelig høj selektivitet til at CO2 over n2 (100 eller højere) og en høj hastighed af CO2 Adsorption (ligevægtstidskonstant <10 s). De har høj termisk stabilitet i luft til omkring 300 ° C.
Samtidige resultater af disse fordele giver disse 2,5D-COF’er lovende materialer, der effektivt kan fange og adskille CO2 til en lavere pris end den nuværende teknologi, hvad enten det er det adskilte CO2 genbruges eller begraves under jorden, i sidste ende for at mindske klimaændringerne.