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층상 이중 수산화물(LDH) 기반 나노물질의 CO2 흡착에 대한 새로운 통찰력

초록

층상 이중 수산화물(LDH)의 층간 간격은 먼저 dodecyl sulfonate 이온에 의해 확대된 다음 (3-aminopropyl)triethoxysilane(APS)이 화학적으로 그래프트(APS/LDH)되었습니다. 이 제조된 샘플의 구조적 특성 및 열적 안정성은 각각 X선 회절(XRD), 투과 전자 현미경(TEM), 반사율 푸리에 변환 적외선 분광계(FTIR), 열중량 분석(TG) 및 원소 분석(EA)으로 특성화되었습니다. . CO2 TG 및 확산 반사율 적외선 푸리에 변환 분광법(DRIFTS)을 사용하여 흡착 성능을 조사했습니다. 결과는 CO2 APS/LDH의 흡착 용량은 90mg/g으로 높았고 5회 반복 흡착-탈착 테스트에서 뚜렷한 감소를 나타내지 않아 우수한 성능 안정성을 나타냅니다. DRIFTS 결과는 carbamates와 약하게 결합된 CO2 종은 APS/LDH에서 생성되었습니다. 약하게 흡착된 종은 CO2에 대한 다른 지역 화학 환경 때문입니다. 유리 실라놀 및 수소 결합과 같은 LDH의 표면 부분에 의해 제공되는 포획.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

실질적인 CO2로 인한 온실 효과와 지구 기후 변화 석탄 화력 발전소의 배출량은 일반 대중의 우려를 불러일으켰습니다[1,2,3]. 따라서 CO2 대기 중 농도 수준을 줄이기 위해 후속 저장 또는 활용을 위해 포획을 채택해야 합니다. 다양한 용매 및 고체 기반 흡착제가 CO2에 대해 큰 관심을 받았습니다. 포획, 특히 재생을 위한 비교적 낮은 에너지 소비 및 광범위한 온도 및 압력에 걸쳐 용이한 구현을 위한 아민 개질 다공성 재료 복합재[4,5,6].

높고 안정적인 CO2 흡착 용량은 50~100°C의 온도 범위에서 부피가 크고 부분압이 낮은 연도 가스로부터 탄소를 포집하는 대규모 분리 공정의 주요 요소입니다[1]. 아미노 그룹이 CO2에 친화력을 나타내므로 2002년 Song의 연구 이후 함침된 아민에 대한 수용력을 기반으로 복합 흡착제를 얻기 위해 표면적과 기공 부피가 큰 다양한 다공성 지지체를 채택했습니다. 그리고 가장 높은 CO2 문헌에 보고된 흡착 용량은 최대 7.9mmol/g에 도달할 수 있습니다[8]. 그러나 이러한 종류의 함침 복합재는 주기적인 흡착-탈착 작업 동안 성능 저하에 민감하여 실제 응용에 중요한 기준이기도 한 낮은 안정성을 시사합니다[9]. 또한 응집된 아민 및 CO2용 코팅 입자에 의해 강력한 확산 제한이 발생합니다. 흡착된 CO2의 양으로 정의되는 아민 효율을 낮추는 표면에서 부피가 큰 아미노 그룹으로 질소 원자 1몰당 분자.

복합흡착제의 열안정성 및 아민 효율 향상을 위해 CO2 단층 이하 친화성 부위는 3-아미노프로필트리메톡시실란(APS), 3-(트리메톡시실릴) 프로필에틸렌디아민(디아민) 또는 3-[2-(2)를 채택하여 광범위하게 연구된 공축합 반응을 기반으로 하는 지지체 물질에 아미노실란의 그래프팅을 통해 공식화됩니다. -아미노에틸아미노)에틸아미노] 프로필트리메톡시-실란(트리아민) 등 [2, 10,11,12]. 이러한 종류의 그래프트된 복합 재료는 CO2의 상한선이 있을 수 있음에도 불구하고 낮은 확산 한계와 우수한 안정성을 나타냅니다. 1몰의 CO2를 포획하기 위해 2몰의 노출된 아민 그룹이 필요하다고 가정하는 흡착 용량 zwitterion 메커니즘에 따른 분자 [13, 14]. 그럼에도 불구하고 지지 물질의 화학적 성질은 CO2에도 영향을 미칠 수 있습니다. 흡착 성능. CO2에 대한 표면 수산기의 기여 직접적으로 약한 물리적 힘[15]을 통해 또는 실리카/티타니아 기반 흡착제에서 그래프트된 아민[13, 16]과의 수소 결합을 통해 포획이 조사되었습니다.

층상 이중 수산화물(LDHs)은 [M1 − x의 일반 공식을 갖는 층간 음이온 및 양전하 층 적층에 의해 조립되는 정렬된 화합물입니다. 2+ M x 3+ (OH)2 ] x + (A n - )x /n ·mH2 O, 여기서 M 2+ 및 M 3+ 는 금속 양이온을 나타내고 A는 음이온을 나타냅니다[17]. LDH는 조정 가능한 구조와 낮은 원료 비용으로 인해 흡착, 촉매 작용, 광화학 등의 응용 분야를 확장했으며[6, 18,19,20], 이는 연소 후 CO2의 후보이기도 합니다. 포착. Wang et al. [21] 박리 및 접목 경로를 통해 아민 변형 LDH를 합성하고 이러한 흡착제가 CO2에서 유용할 것이라고 보고했습니다. CO2 동안 80°C의 고온으로 공정을 캡처합니다. 아민 개질 육각형 메조포러스 실리카(HMS)의 흡착 용량은 25°C에서 1.34mmol/g에서 75°C에서 0.45mmol/g으로 감소했습니다[22]. 이것은 지지 물질로서 LDH의 국소 화학 물질이 CO2에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. 실리카 지지체와 다른 방식으로 흡착합니다. 그러나 우리가 인정하는 한 이에 대해 논의한 보고서는 거의 없습니다. LDH 기반 흡착제를 조사하고 CO2를 더 자세히 이해하려면 체계적인 연구가 필요합니다. 흡착 메커니즘.

이를 염두에 두고, (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APS)-변형된 LDH(APS/LDHs)는 사전 인터칼레이션을 위해 도데실 설페이트(DS)를 채택하여 이 논문에서 준비되었습니다. APS/LDH의 구조적 특성은 다른 곳에서 자세히 다루어졌습니다[21]. 그러나 일부 수량은 CO2 간의 연결을 설명하기 위해 다시 도입됩니다. 흡착 성능 및 LDH의 표면 특징. CO2 APS/LDH의 흡착-탈착 특성은 주로 현장 확산 반사 적외선 푸리에 변환 분광 측정(DRIFTS)을 사용하여 조사되었습니다.

방법

사용된 모든 약품은 알라딘시약(주)에서 구입하였으며 A.R. 등급. 그리고 이러한 화학 물질은 추가 처리 없이 사용되었습니다.

합성된 LDH는 공침법을 통해 대조 시료로 준비하였다. 0.075mol Mg(NO3)를 포함하는 혼합 용액 )2 ·6H2 O 및 0.025mol Al(NO3 )3 ·9H2 O를 먼저 얻은 다음 Na2에 추가했습니다. CO3 70°C에서 격렬하게 교반하면서 수용액(0.5mol/L, 100mL). 이 혼합물의 pH 값을 NaOH 수용액(4M)을 사용하여 약 10으로 유지한 후 추가로 4시간 동안 교반했습니다. 그 후, 생성된 침전물을 여과하고, 증류수로 여러 번 세척하고, 120℃에서 밤새 진공 건조하였다. DS 삽입 LDH(DS/LDH)는 이전 보고서[21]에 따라 합성되었습니다. 일반적으로 4.00g의 Mg(NO3 )2 ·6H2 O 및 1.95g의 Al(NO3 )3 ·9H2 O는 50ml의 탈이온수에 용해되었습니다. 얻어진 용액을 70℃에서 계속 교반하면서 나트륨 도데실 설페이트 수용액(3g/100mL 증류수)에 적가하였다. pH를 약 10으로 조정하는 데에도 특별한 주의를 기울여야 합니다. 위에서 설명한 동일한 후처리가 DS/LDH에도 적용되었습니다.

APS가 이식된 LDH(APS/LDH)는 다음과 같이 제조되었습니다. 2g의 DS/LDH를 500mL 톨루엔 용매가 포함된 원추형 플라스크에 용해시킨 다음 5시간 동안 초음파 처리했습니다. 30분 후에 풍부한 흰색 겔이 모였습니다. 15ml의 (3-아미노프로필)트리에톡시실란을 첨가하고, 혼합물 용액을 질소 분위기 하에 60℃에서 5시간 동안 숙성시켰다. 침전물을 여과하여 추출하고 반복적으로 세척한 다음 120°C의 진공 오븐에서 밤새 건조했습니다.

샘플의 결정상은 CuKα 방사선(XRD:모델 D/max RA, Rigaku Co., 일본, CuKα 방사선 0.15418 nm)을 사용하는 X선 회절계로 분석하고 산란각(2)에 대한 데이터를 수집했습니다. θ ) 0.02°의 단계 크기로 5° ~ 70° 범위입니다. 투과전자현미경(TEM:Tecnai G2 F20; FEI Company, USA)으로 미세형태를 조사하였다. 원소 분석은 Flash EA1112(Thermo Finnigan, USA)에서 수행되었습니다. 푸리에 변환 적외선 분광계(FTIR, IR Affinity-1; SHIMADZU, Japan)를 사용하여 준비된 샘플의 IR 스펙트럼을 기록했습니다. 20톤의 유압을 적용하여 시료의 1/50과 혼합된 브롬화칼륨(KBr) 플레이트를 만든 다음 400~4000cm −1 에서 스캔했습니다. 해상도 0.2cm −1 . 고체 샘플의 열 안정성은 열중량 분석(TG; NETZSCH STA 409 Luxx, Selb/Bavaria, Germany)을 사용하여 결정되었습니다. 샘플은 질소 분위기에서 10K/min의 가열 속도로 실온에서 600°C까지 가열되었습니다.

흡착제 표면의 표면 종 및 분자 거동에 대한 정보는 온도 제어 시스템이 장착되고 ZnSe 창과 결합된 DRIFTS(Nicolet 6700 FT-IR 분광계, Thermo Scientific, USA)를 통해 얻었습니다. DRIFTS 셀에서 분말 흡착제는 30mL/min의 질소 흐름 하에서 200°C에서 1시간 동안 전처리되었습니다. 온도가 50°C에서 안정화되면 CO2 완전한 포화에 도달할 때까지 일정 시간 동안 5mL/min의 가스 흐름을 셀에 도입했습니다. 여기에서 CO2 가스 혼합물의 농도(~ 14v%)는 산업용 연도 가스의 일반적인 농도를 나타냅니다. DRIFTS 스펙트럼은 4cm −1 로 수집되었습니다. 탐침 분자 도입 직전에 기록된 배경 스펙트럼을 고려하여 64개의 공동 추가된 산을 포함합니다.

CO2 흡착 용량도 TG에 의해 결정되었습니다. 약 10mg의 샘플을 100ml/min의 질소 분위기에서 1시간 동안 120°C에서 전처리했습니다. 흡착 온도까지 냉각한 후 순수한 CO2 유동은 동적 흡착 평형이 될 때까지 전환되었습니다. 최종 증가된 체중은 CO2로 간주되었습니다. 흡착능력. 포화 샘플은 전처리 조건에서 재생되었습니다. 이 흡착-재생 과정을 5회 반복하여 변형된 흡착제 재료의 성능 안정성을 평가했습니다.

결과 및 토론

그림 1에서 볼 수 있듯이 2θ에서 합성된 LDH의 계층 구조로 인해 일련의 전형적인 피크가 나타났습니다. =11.5°, 23.0°, 34.5° 및 60.5°, 이는 이전 문헌[23, 24]에 따라 각각 (003), (006), (009) 및 (110) 격자 평면에 기인합니다. 우물 차수(00l ) 시리즈는 LDH의 적층 판으로 유기 음이온의 삽입으로 확장된 구조에 의해 생성된 DS/LDH에 대해 나타났습니다. 표면 하이드록실 그룹의 높은 노출과 낮은 확산 제한을 시사하는 이 확장된 중간층은 DS/LDH가 APS의 후속 도입을 위한 전구체가 될 수 있게 했습니다. APS 그라프팅은 결정성을 극적으로 감소시켰습니다. 그러나 호스트의 하이드로탈사이트 유사 구조는 관찰된 (110) 반사에 대해 보존되었습니다. 이는 APS/LDHs의 TEM 이미지(그림 2)에 의해 확인되었으며, 불규칙한 박편 형태의 입자들의 집합체가 나타났습니다.

<그림>

(a의 X선 회절 프로파일 ) LDH, (b ) DS/LDH 및 (c) APS/LDH

<그림>

APS/LDH의 TEM 이미지

C/N의 몰비는 APS 분자에서 9입니다(C9 H23 아니요3 시). 상응하게, C/N의 몰비는 1, 2 또는 3개의 ethoxysilane 그룹이 LDH 라미네이트의 표면 하이드록실 그룹과 각각 축합하는 경우 7, ​​5 또는 3이 됩니다[21]. 여기서, APS의 성공적인 접목을 더욱 확인하기 위해 C/N의 몰비(표 1)를 채택하였다. 6.59의 C/N 몰비가 얻어짐에 따라 각 APS 분자에서 하나 이상의 에톡시실란 그룹은 금속층에 묶여 있었고 나머지는 가수분해 후 온전한 에톡시실란 그룹 또는 유리 실라놀 결합으로 나타납니다.

TG-DTG(DTG는 TG의 미분 곡선) 연구는 변형된 LDH의 열적 안정성을 조사하기 위해 수행되었습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 DS/LDH는 150°C 미만에서 흡착된 물의 제거로 인한 3단계의 질량 손실을 거쳤습니다. 150~300°C의 온도 범위에서 탈하이드록실화와 240°C에서 현저한 손실이 발생했으며 300°C 이상에서 추가 탈하이드록실화 및 황산 도데실 분해가 발생했습니다[24, 25]. APS/LDH의 열분해 거동은 크게 달랐습니다(그림 4). APS/LDHs의 Dehydroxylation(150~300°C)으로 인한 무게 손실은 약 10%로 DS/LDHs(약 30%)보다 훨씬 적은 것으로 나타났습니다. 이는 주로 그림 5에서와 같이 축합반응을 통해 APS 그라프팅 후 LDH 적층체에서 -OH의 소모에 기인할 수 있다. 또한 지연된 탈하이드록실화로 인해 321°C에서 더 높은 온도에서도 최대 중량 감소가 나타났다. 터미널 –NH2 사이의 수소 결합의 이점을 얻을 수 있는 APS/LDH에서 APS 분자 및 LDH 라미네이트의 표면 하이드록실.

<사진>

DS/LDH의 TG-DTG 곡선

<그림>

APS/LDH의 TG-DTG 곡선

<그림>

APS/LDH 형성에 대한 개략도

변형된 LDH의 IR 스펙트럼은 그림 6에 나와 있습니다. LDH의 경우 3460을 중심으로 하는 강한 넓은 피크와 1650cm -1 밴드가 있습니다. 표면 및/또는 중간층에서 각각 수산기의 신축 및 굽힘 진동과 관련이 있습니다. 1370cm −1 의 흡수 밴드 한자리 탄산염과 삽입된 NO3 모두에 할당되었습니다. - LDH의 층간 공간에서. 격자 Mg-O 진동과 Al-O 모드가 800~400cm 범위의 스펙트럼을 오버레이합니다. −1 . DS/LDHs의 DS 분자는 2920에서 특성 밴드 그룹을 보여주었습니다(-CH3의 신축 진동 그룹), 2852(-CH2의 신축 진동) 그룹), 1465(유기 골격의 C–H 굽힘 결합) 및 1217/1075cm −1 (-SO3의 비대칭 및 대칭 신축 진동 2− 여러 떼). 그러나 이러한 특성 밴드의 강도는 APS의 그라프팅 후에 상당히 약해졌으며 APS 분자에서 NH 및 N-C 결합과 관련된 새로운 밴드가 관찰되었습니다(예:N-H2 1차 아민 그룹(RNH2 ) 1570/1468cm −1 에서 1124cm −1 에서 CN의 CN 굽힘 진동 [13, 23].

<그림>

(a의 FTIR 스펙트럼 ) LDH, (b ) DS/LDH 및 (c ) APS/LDHs

APS의 실라놀과의 축합반응에 의해 LDH 적층체 표면의 -OH기의 일부가 소모되었음에도 불구하고 3460과 1650cm -1에 위치한 밴드 다소 강화되었다. 분자간 수소 결합을 통한 아미노기의 클러스터링[16] 및 아민 종의 양성자화(RNH3 + ) 표면 하이드록실 또는 유리 실라놀 그룹과 함께 물 [26]의 존재 하에 생성됨. 또한 이 결합이 다소 약하더라도 기본 분자 또는 그룹이 LDH의 표면 하이드록실에 수소 결합될 수 있다고 주장했습니다[27]. 따라서 여기에서 이러한 흡수 밴드의 향상은 경계 -NH2에 기인합니다. 동일한 IR 영역에서 그룹이 -OH 그룹과 겹침 [28], CO2에 대해 다소 다른 로컬 환경을 나타냄 흡착.

CO2 아민 변형 LDH의 흡착 성능은 다양한 테스트 온도에서 TGA에 의해 조사되었습니다. 그림 7과 같이 CO2 APS/LDH의 흡착량은 처음 30분 이내에 극적으로 증가하고 그 다음에는 느린 포화 단계가 이어집니다. CO2 이 포화 단계에서 최대 2.09mmol/g의 흡착 용량이 얻어졌으며, 이는 LDH보다 훨씬 더 높습니다(일반적으로 1.0mmol/g [29,30,31] 미만). 따라서 통합된 아미노기는 CO2에 기여했습니다. 크게 캡처. APS/LDH는 CO2를 나타냈습니다. 25°C에서 1.55mg/g의 흡착량을 보였고 30~75°C의 온도 범위에서는 다소 안정적인 흡착 용량을 보였습니다. APS는 CO2와 반응하기 시작합니다. 28°C에서 [21]. 따라서 25°C에서 APS의 더 높은 점도는 더 큰 물질 전달 제한을 생성하고 CO2에 대한 기능을 더욱 약화시킵니다. 캡처.

<그림>

CO2 다양한 온도에서 APS/LDH의 흡착 프로파일

본질적으로 CO2를 결정하는 것은 아미노 그룹의 접근성과 인접한 아미노 쌍의 근접성이었습니다. 아민 변성 물질의 흡착 능력. 함침된 아민은 CO2에 대한 강력한 확산 제한을 생성하는 지지체의 기공에서 응집되기를 원합니다. 표면에서 벌크로 분자 [2, 9, 25, 32]. 그러나 APS/LDH에서 활성 부위의 접근성은 LDH 라미네이트 사이에 삽입된 탄화수소 사슬에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있으며, 이는 이동성과 아미노 쌍의 상대적 근접성을 감소시킵니다. 이는 아마도 APS/LDHs의 아민 효율에 불리한 것으로 추정되지만 양쪽성 이온 메커니즘을 기반으로 한 최대값인 0.5보다 약간 높은 것으로 나타났습니다(표 1). 따라서 여기에서 아민 효율에 기여하는 다른 흡착 메커니즘이 있을 수 있다고 추론되었습니다.

CO2를 조사하기 위해 DRIFTS 측정이 채택되었습니다. APS/LDH의 흡착 메커니즘(그림 8). CO2에 노출 /N2 가스 혼합물은 RNH3의 NH 변형으로 인한 몇 가지 전형적인 흡수 피크의 출현으로 이어졌습니다. + 1629 및 1489cm −1 에서 , COO 의 비대칭 스트레칭 모드 1567cm −1 에서 , 1428 및 1326cm −1 에서 NCOO 골격 진동 [13]. 분명히 CO2 1차 아민에 대한 흡착은 2단계 순서로 양쪽성 이온 메커니즘을 통해 발생했습니다. <그림>

CO2의 드리프트 스펙트럼 APS/LDH의 흡착 및 탈착:(a ) 5분 동안 흡착, (b ) 20분 동안 흡착, (c ) 실온에서 30분 동안 퍼지, (d ) 120°C에서 30분 더 퍼지

특히 1703cm −1 에서 나타난 밴드는 추가 식별이 필요했습니다. 생성된 카바메이트가 고온에서 분해되는 동안 온화한 재생 조건에서 완전히 사라지기 때문에 이 밴드는 약하게 결합된 CO2와 관련이 있을 수 있습니다. 경계가 있는 −NH2 주변의 종 그룹 [33]은 흡착을 위한 다른 국소 환경을 제공했습니다. CO2 분자는 수소 결합을 통해 이러한 아미노기에 포획될 수 있습니다. Wu et al. [13] 1706cm −1 에서 흡수 밴드를 나타냅니다. 수소 결합 CO2 양성자화된 아민 그룹 근처의 흡착에 의해 생성된 종. Danon et al. [16]은 또한 SBA-15 표면이 CO2 사이의 특정 상호작용에서 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 및 SBA-15의 표면에 묶인 부분.

흡착제의 안정적인 순환 흡착/탈착 성능은 실용적인 분리 공정을 위해 특히 요구됩니다. APS/LDH의 주기적 성능은 CO2 노출을 통해 얻어졌습니다(그림 9). 다른 흡착 온도에서 반복적으로 120°C에서 재생합니다. CO2 흡착 용량은 이 테스트 온도에서 5회 주기 동안 초기 흡착량 주위에서 변동하여 우수한 주기 성능을 보여줍니다. 이는 APS/LDH를 CO2 포집할 수 있는 가능성을 제공했습니다. 화석 연료 기반 화력 발전소에서 [1]. 첫째, 400°C와 같은 승온에서 활성화가 필요한 하소된 LDH 샘플과 비교하여 재생을 위한 에너지 절약을 달성할 수 있었습니다[34]. 게다가 CO2 하소된 LDH 샘플의 흡착은 열적 안정성이 낮고 입자의 응집으로 인한 비가역적 화학흡착으로 인해 열 흡착/탈착 주기가 증가함에 따라 감소한 반면[35], 여기에서 APS/LDH는 우수한 성능 안정성을 나타냈습니다.

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연속적인 흡착-탈착 사이클 동안 APS/LDH의 성능 안정성

결론

APS의 말단 아미노 그룹의 단층이 CO2에 대한 LDH(APS/LDH)에 접목되었습니다. 포착. dodecyl sulfonate로 채워진 확대된 층 간격은 APS 도입에 유리하다는 것이 발견되었습니다. APS는 공유 상호 작용을 통해 LDH 라미네이트에 연결되었습니다. 통합된 아미노 그룹은 CO2에 많은 기여를 했습니다. DRIFTS 결과에 의해 확인된 바와 같이 양쪽성 이온 메커니즘과 약한 결합을 통해 APS/LDH를 캡처합니다. CO2 흡착-탈착의 5주기 동안 흡착 용량이 약 90mg/g으로 안정화되어 온도 변동 흡착 공정에서 큰 응용 가능성을 보여줍니다.

LDH 기반 산화물 흡착제의 경우 점진적으로 감소된 CO2 기본 사이트의 가용성 부족이 증가하기 때문에 주로 흡수가 관찰될 수 있습니다. 그러나 APS/LDH는 (3-아미노프로필)트리에톡시실란과 금속층의 화학적 조합을 기반으로 하기 때문에 다양한 처리 조건에 더 견고합니다. 이는 주기적인 테스트 동안 고체에서 유기물이 침출되어 흡착 용량이 크게 손실되는 것을 효과적으로 방지합니다. 그리고 캡처된 CO2 APS/LDH에서 120°C 이하에서 완전히 탈착될 수 있으며, 이는 아민 분해 또는 열적 형태 변경을 피하기 위한 다소 안전한 작동 온도입니다.

약어

APS:

(3-아미노프로필)트리에톡시실란

DRIFTS:

확산 반사율 적외선 푸리에 변환 분광법

DS:

황산도데실

EA:

원소 분석

FTIR:

반사율 푸리에 변환 적외선 분광기

HMS:

육각형 메조다공성 실리카

LDH:

층상 이중 수산화물

TEM:

투과전자현미경

TG-DTG:

TG의 열중량 분석-도함수 곡선

XRD:

X선 회절


나노물질

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