作者阿什利·赫夫，橡树岭国家实验室 信用:橡树岭国家实验室 能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员正在推进气体膜材料，以扩大减少工业碳排放的实用技术选择
发表在《化学》杂志上的研究结果展示了一种膜材料的制造方法，这种方法可以克服目前在选择性和渗透性方面的瓶颈，而选择性和渗透性是在真实环境中驱动碳捕获性能的关键变量
“通常情况下，在制造过滤二氧化碳但不允许其他气体通过的膜时，会有选择性或渗透性的权衡
理想的情况是创造具有高渗透性和高选择性的材料，”德州大学化学系的杨真真说
气体膜是一种有前途但仍在发展的技术，用于减少化石燃料工业产生的燃烧后或烟气排放
这个概念很简单:一个薄的多孔膜充当废气混合物的过滤器，选择性地允许二氧化碳或CO2自由流入收集器，收集器保持在减压状态，但防止氧气、氮气和其他气体跟随
与从工业过程中捕获CO2的现有化学方法不同，膜易于安装，可以长时间无人值守操作，没有额外的步骤或额外的能源成本
问题是，需要新的、成本效益高的材料来扩大技术规模，以供商业应用
ORNL化学科学部的伊尔嘉·波波夫斯说:“气体薄膜需要一侧有压力，另一侧通常需要真空来维持自由流动的环境，这就是为什么材料的选择性和渗透性对技术发展如此重要。”
“性能不佳的材料需要更多的能量来推动气体通过系统，因此先进的材料是保持低能源成本的关键
" 没有天然材料，只有少数几种合成材料超过了罗伯逊上限，这是一个已知的界限，它限制了大多数材料在这些速率开始下降之前的选择性和渗透性
用于有效气体分离的具有足够高的选择性和渗透性的材料是罕见的，并且通常由昂贵的起始材料制成，这种材料的生产需要长而繁琐的合成或昂贵的过渡金属催化剂
“我们开始测试一个假设，即在膜材料中引入氟原子可以提高碳捕获和分离性能，”杨说
用于制造特氟隆和牙膏等消费品的氟元素具有亲二氧化碳的特性，这使得它对碳捕获应用很有吸引力
它也是广泛可用的，使得它成为低成本制造方法的相对可承受的选择
氟化气体膜的研究一直受到限制，因为将氟结合到材料中以实现其喜碳功能是一个根本性的挑战
“我们的第一步是使用简单的化学方法和商业上可获得的原材料来制造一种独特的氟基聚合物，”杨说
接下来，研究人员利用热量转化或碳化这种材料，使其具有捕捉二氧化碳所需的多孔结构和功能
两步工艺保留了氟化基团，提高了最终材料的CO2选择性，克服了其他合成方法中遇到的基本障碍
“这种方法产生了一种具有高表面积和超微孔的亲二氧化碳材料，这种材料在高温操作条件下是稳定的，”杨说
“所有这些因素使它成为碳捕获和分离膜的一个有前途的候选材料
" 这种材料的新颖设计有助于其卓越的性能，其高选择性和渗透率超过了罗伯逊上限，这是只有少数材料才能实现的
“我们的成功是一项重大成就，展示了在未来膜材料中利用氟的可行途径
此外，我们使用市场上可买到的廉价原材料实现了这一目标，”波波夫说
这一基本发现扩展了碳捕获膜实用选项的有限库，并为开发具有其他特定任务功能的氟化膜开辟了新的方向
研究人员的下一步目标是研究氟化膜吸收和运输CO2的机制，这是一个基本步骤，将为设计更好的碳捕获系统提供信息，这些系统采用专门针对捕获CO2排放而定制的材料
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