Новые мембраны для эффективного превращения CO2

Борьба с изменением климата требует эффективных способов улавливания и использования углекислого газа (CO2). Реакция CO2 с водородом (H2) позволяет получать ценные химические вещества, такие как метанол и угарный газ, а также синтетическое топливо. Однако традиционные реакторы сталкиваются с ограничениями: термодинамические барьеры и низкая скорость реакций снижают конверсию CO2. Для ускорения процессов требуются высокие температуры и давления, что увеличивает энергопотребление.

Мембранные реакторы представляют собой перспективное решение. Они используют гидрофильные мембраны для избирательного удаления воды (H2O), побочного продукта реакции, при этом удерживая реагенты. Это сдвигает равновесие реакции в сторону продуктов, повышая выход CO2. Цеолитовые мембраны, например на основе ZSM-5, хорошо подходят для этой задачи, так как могут адсорбировать воду, препятствуя проникновению H2. Однако при высоких температурах и низкой концентрации H2O, характерных для промышленных условий, их эффективность снижается из-за ухудшения блокировки пор, что позволяет H2 проникать вместе с H2O.

Команда исследователей из Нагойского технологического института разработала новые ZSM-5 мембраны, модифицированные силисесквиоксановым каркасом с ионными жидкостями (SQIL). Ранее было показано, что покрытие ионными жидкостями улучшает поглощение H2O металл-органическими каркасными мембранами. Новые SQIL-модифицированные ZSM-5 мембраны сохраняют высокую селективность по H2O даже при низких концентрациях воды и высоких температурах.

В исследовании были синтезированы два типа SQIL: polySipmimOTf и polySipmimTf2N. PolySipmimOTf оказался более гидрофильным. Были также подготовлены два типа ZSM-5 мембран: гидрофильный натриевый (NaZ-5) и менее гидрофильный водородный (HZ-5). После модификации SQIL мембраны были протестированы на проницаемость H2 и селективность по H2O при различных концентрациях и температуре 473 K (200 °C).

Результаты показали, что SQIL-модификация значительно снижает проницаемость H2 и повышает селективность по H2O по сравнению с неподготовленными ZSM-5 мембранами. Мембраны, модифицированные polySipmimOTf, показали лучшие результаты. Особенно выделялась мембрана OTf-/NaZ-5, демонстрирующая превосходную селективность по H2O. Эти мембраны сохраняли низкую проницаемость H2 даже при низких концентрациях H2O, что объясняется синергетическим эффектом между гидрофильными SQIL и ZSM слоями.

По словам исследователей, эффективное превращение CO2 в химикаты и топливо является ключом к достижению углеродной нейтральности. Разработанные SQIL-модифицированные мембраны могут повысить эффективность конверсии CO2 в мембранных реакторах, способствуя их более широкому применению в промышленности и снижению воздействия на окружающую среду.