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Discerning molecular-level CO2 adsorption behavior in amine-modified sorbents within a controlled CO2/H2O environment towards direct air capture
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-09-04 , DOI: 10.1039/d4ta05578k Ah-Young Song 1, 2 , John Young 3 , Jieyu Wang 1 , Sophia N. Fricke 1 , Katia Piscina 3 , Raynald Giovine 4 , Susana Garcia 3 , Mijndert van der Spek 3 , Jeffrey A. Reimer 1, 2
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-09-04 , DOI: 10.1039/d4ta05578k Ah-Young Song 1, 2 , John Young 3 , Jieyu Wang 1 , Sophia N. Fricke 1 , Katia Piscina 3 , Raynald Giovine 4 , Susana Garcia 3 , Mijndert van der Spek 3 , Jeffrey A. Reimer 1, 2
Affiliation
Sorbents designed for direct air capture (DAC) play a crucial role in the pursuit of achieving net-zero carbon dioxide emissions. This study elucidates CO2 adsorption from dilute, humidified CO2 streams onto an amine-modified benchmark DAC adsorbent via solid-state NMR spectroscopy. Various NMR techniques, including 1D 1H MAS, 13C MAS, 2D 1H–13C HETCOR NMR, and 1H R2 and R1ρ relaxometry reveal the impact of CO2 partial pressure and H2O on CO2 adsorption behavior. We find that CO2 concentration governs the stepwise formation of ammonium carbamate, carbamic acid, and physisorbed CO2, where relative humidity (RH) at a desired low (<400 ppm) CO2 loading affects total CO2 uptake. The relaxation studies reveal the cooperative or competitive nature of H2O–CO2 sorption in CO2-dilute humid gas, and in particular polymer swelling upon humidification. From those results, we demonstrate that the observed absorption capacity enhancement by humidity is caused by pore opening due to sorbent swelling, and not by bicarbonate formation. This NMR-discerned speciation provides insights into sorption behavior at different RHs in dilute CO2 gas streams, simulating real-world atmospheric conditions, and governs the design of efficient and adaptable material-process combinations for solid sorbent DAC.
中文翻译:
在受控的 CO2/H2O 环境中识别胺改性吸附剂的分子级 CO2 吸附行为,以直接捕获空气
专为直接空气捕获 (DAC) 设计的吸附剂在实现二氧化碳净零排放方面发挥着至关重要的作用。本研究通过固态核磁共振波谱阐明了胺改性基准 DAC 吸附剂上稀释、加湿的 CO 2流中的 CO 2吸附。各种NMR技术,包括1D 1 H MAS、 13 C MAS、2D 1 H– 13 C HETCOR NMR以及1 H R 2和R 1ρ弛豫测量揭示了CO 2分压和H 2 O对CO 2吸附行为的影响。我们发现CO 2浓度控制着氨基甲酸铵、氨基甲酸和物理吸附CO 2的逐步形成,其中所需的低(<400 ppm) CO 2负载下的相对湿度(RH)影响总CO 2吸收。弛豫研究揭示了CO 2稀湿气体中H 2 O-CO 2吸附的合作或竞争性质,特别是加湿时聚合物的膨胀。 从这些结果中,我们证明观察到的湿度吸收能力增强是由吸附剂膨胀导致的孔张开引起的,而不是由碳酸氢盐的形成引起的。这种通过 NMR 识别的形态可以深入了解稀 CO 2气流中不同相对湿度下的吸附行为,模拟真实的大气条件,并控制固体吸附剂 DAC 的高效且适应性强的材料工艺组合的设计。
更新日期:2024-09-05
中文翻译:
在受控的 CO2/H2O 环境中识别胺改性吸附剂的分子级 CO2 吸附行为,以直接捕获空气
专为直接空气捕获 (DAC) 设计的吸附剂在实现二氧化碳净零排放方面发挥着至关重要的作用。本研究通过固态核磁共振波谱阐明了胺改性基准 DAC 吸附剂上稀释、加湿的 CO 2流中的 CO 2吸附。各种NMR技术,包括1D 1 H MAS、 13 C MAS、2D 1 H– 13 C HETCOR NMR以及1 H R 2和R 1ρ弛豫测量揭示了CO 2分压和H 2 O对CO 2吸附行为的影响。我们发现CO 2浓度控制着氨基甲酸铵、氨基甲酸和物理吸附CO 2的逐步形成,其中所需的低(<400 ppm) CO 2负载下的相对湿度(RH)影响总CO 2吸收。弛豫研究揭示了CO 2稀湿气体中H 2 O-CO 2吸附的合作或竞争性质,特别是加湿时聚合物的膨胀。 从这些结果中,我们证明观察到的湿度吸收能力增强是由吸附剂膨胀导致的孔张开引起的,而不是由碳酸氢盐的形成引起的。这种通过 NMR 识别的形态可以深入了解稀 CO 2气流中不同相对湿度下的吸附行为,模拟真实的大气条件,并控制固体吸附剂 DAC 的高效且适应性强的材料工艺组合的设计。