一种制备浸渍接枝胺基二氧化硅复合材料的合成方法

Summary

这项工作旨在促进将胺化化合物浸渍或接枝到二氧化硅基质上的标准化技术的发展，这些技术通常在文献中被广泛描述。将详细讨论溶剂、底物、胺的具体用量以及其他重要实验参数的值。

Abstract

最近，通过使用碳捕获材料作为点源或直接空气捕获 （DAC） 方法，在减少或减轻 CO₂ 排放方面做出了重大努力。这项工作的重点是用于DAC的胺官能团化CO₂ 吸附剂。这些材料具有低再生能耗和高吸附能力，因此具有去除 CO₂ 的前景。将胺类掺入多孔基材中结合了胺类对 CO₂ 的亲和力以及多孔基材的大孔体积和表面积的优点。胺基CO₂ 吸附剂的制备常用方法有三种，具体取决于胺种类、材料载体和制备方法的选择。这些方法是浸渍、接枝或化学合成。二氧化硅是基板材料的普遍选择，因为它具有可调节的孔径、耐湿性、温度稳定性以及在 DAC 应用中吸附低浓度 CO₂ 的能力。本文描述了浸渍和接枝胺-二氧化硅复合材料的典型合成方法和主要属性。

Introduction

过去几十年来，人为的_{二氧化碳排放被广泛}认为是驱动温室气体效应的主要因素，因此也是相关的气候变化1,2,3,4。CO₂ 捕获有两种通用方法，点源和直接空气捕获。50 多年来，湿法洗涤 CO 2 捕集技术一直被用于行业内的点源捕集，以减少 CO₂ 排放 ^5,6。这些技术基于液相胺，液相胺在干燥条件下与 CO₂ 反应形成氨基甲酸酯，在水存在下形成碳酸氢盐^7,8，见图 1。在大点（工业）源利用碳捕获和封存的主要原因是为了防止大量 CO₂ 的进一步释放，从而对大气中 CO₂ 的总浓度产生中性影响。然而，点源碳捕集系统存在一些缺点，例如设备腐蚀、溶剂降解和再生的高能源需求⁹.直接空气捕获 （DAC） ....

Protocol

注意: 与本节中使用的设备、仪器和化学品相关的详细信息可在 材料表中找到。

1. 用摩尔质量为 800 g/mol 的聚乙烯亚胺浸渍二氧化硅 （PEI 800）

1. 反应的制备
   1. 在该反应中使用无水甲醇作为溶剂。它的沸点低;因此，它的挥发性有利于以后在较低温度下去除。
      注:无水溶剂很重要，因为水可以防止PEI 800进入二氧化硅载体的孔隙。另一种常用的溶剂是乙醇，其沸点较高，需要更长的干燥时间和更高的干燥温度。
   2. 使用公式 1 计算胺的质量分数 （%），其中 m 胺 =_胺 的质量，m 二氧化硅 = 所用_二氧化硅 的质量。
      公式 1:
   3. MCM-41 二氧化硅中胺（w_胺）的质量分数为 59.9%（750 毫克胺和 500 毫克二氧化硅）。每 1 g 胺，使用 10 mL 无水甲醇。这样做是为了让整体混合物成为稀浆料。这些计算量将被归类为实验量（w _a....

Results

TGA通常用于量化这些材料在二氧化硅表面负载或接枝的胺量。得到的TGA曲线显示，在60 °C至100 °C之间，残留溶剂和水的损失，在衍生物重量（重量%/°C）曲线中显示为第一个峰，胺的损失在衍生物重量曲线（重量%/°C）中显示为第二个峰。对于PEI浸渍的二氧化硅，胺的损失预计将出现在200°C至300°C左右，这是衍生物重量曲线中的第二个峰，而对于DAS接枝二氧化硅，胺的损失预计将出现在350°C至550°C左右（图6）。总重量损失表明负载或接枝到二氧化硅基底上的胺的量，是判断合成质量的重要表征参数。对于PEI浸渍的样品，TGA的w_胺（w _{amine_TGA_imp}）= 59.2%±0.3%（n = 3），而实验（w_{amine_exp_graft}）= 59.9%（图6B）。对于DAS接枝标本，w _{amine_TGA_graft} = 22.3 %.......

Discussion

本文中描述的方法旨在提供制备浸渍和接枝胺二氧化硅复合吸附剂的方案。我们记录的程序是基于对文献中报道的技术和我们实验室中改进的技术的回顾。^1,2,3.这些材料的制备在二氧化碳去除研究领域中很有用，可以开发或基准测试可用于降低大气（直接空气捕获）或工业过程中（点源捕获）中_{二氧化碳排放的其他}材料。在固体胺吸附剂中，通常使用介孔二氧化硅。二氧化硅基质往往具有简单的合成或可以在商业上购买，其结构特性使其成为浸渍或接枝胺基固体吸附剂的良好选择²¹。在此过程中，MCM-41 被用作二氧化硅基质，因为它的表面积大，孔径分布在 35 Å 和 38 Å 之间很窄。然而，另一种常用的二氧化硅载体是 SBA-15，由于其大表面积、孔体积和均匀的介孔尺寸²⁴，它也被用于碳捕获研究。通过浸渍利用 MCM-41 和 PEI 的系统研究表明，随着 PEI 负载量的增加.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
无水甲醇	Sigma-Aldrich	322415	不附带密封
无水甲苯	Sigma-Aldrich	244511	附带密封
陶瓷搅拌热板	NA	NA	搅拌板的尺寸、耗电量和热能力会因实验室设施而异。
傅里叶变换红外光谱仪 （FTIR）	Nicolet i550 系列光谱仪	NA	在 OMNIC 标准软件 Gastight
注射器上运行	NA	NA	只要气密注射器具有 PTFE 柱塞和鲁尔头，就适用于空气敏感技术，可用于本方案。
玻璃样品瓶	NA	NA	只要样品瓶是用硼硅酸盐玻璃制成的，并且具有螺旋盖，品牌名称、尺寸或一般形状对方案来说就无关紧要。
MCM-41 二氧化硅	ACS 材料	MSM41A01	CAS 号 7631-86-9
金属针	NA	NA	注射器针头需要是不锈钢的。建议通过使用气密注射器转移的内容来确定针头的长度和外径。对于大量液体，较大的外径将提高传输速率。
N'-（3-三甲基硅烷基丙基）二乙烯胺 （DAS）	Sigma-Aldrich	104884	附带sure-seal
聚乙烯亚胺 （PEI）	Sigma-Aldrich	408719	不附带 sure-seal
Schlenk 圆底烧瓶	ChemGlass AirFree	NA	只要烧瓶适合高压和高温，但品牌名称、大小或一般形状对方案无关紧
热梯度分析 （TGA）	来自 Waters 和 TA Instruments 的	TA Advantage	NA