一种用于制备负载型与接枝型胺基二氧化硅复合材料以实现碳捕集的合成方法

摘要

本研究旨在促进硅胶基底上负载或接枝氨基化合物的标准化技术的发展，此类方法在文献中通常仅被泛泛描述。本文将详细讨论溶剂、基底、胺类物质的具体用量以及其他重要实验参数的取值。

摘要

近年来，人们正大力致力于通过使用碳捕获材料来减少或缓解点源或直接空气捕获（DAC）过程中的CO₂排放。本研究聚焦于用于直接空气捕获的胺功能化CO₂吸附剂。这类材料在CO₂去除方面展现出良好前景，因其具有较低的再生能耗和较高的吸附容量。将胺类物质引入多孔载体中，可结合胺类对CO₂的亲和性与多孔载体的大孔体积及高比表面积的优势。根据所选胺类物质、载体材料及制备方法的不同，通常采用三种方法制备胺基CO₂吸附剂：浸渍法、接枝法或化学合成法。二氧化硅是一种广泛应用的载体材料，因其孔径可调、耐湿性好、热稳定性高，并能在低浓度条件下吸附CO₂，适用于直接空气捕获应用。本文描述了浸渍型和接枝型胺-二氧化硅复合材料的典型合成步骤及其主要特性。

引言

过去几十年间，人为产生的 CO₂ 排放被广泛认为是导致温室气体效应及相关气候变化的主要因素^1,2,3,4。目前 CO₂ 捕集主要有两种方法：点源捕集和直接空气捕集（direct air capture, DAC）。五十多年来，工业领域一直采用湿法洗涤 CO₂ 捕集技术进行点源捕集，以减少 CO₂ 排放^5,6。这些技术基于液相胺类物质，其在干燥条件下与 CO₂ 反应生成氨基甲酸酯，在有水存在时则生成碳酸氢盐^7,8，见图1。在大型点源（工业）场所应用碳捕集与封存技术，主要目的是防止大量 CO₂ 进一步释放，从而对大气中 CO₂ 总浓度产生中性影响。然而，点源碳捕集系统存在若干缺点，例如设备腐蚀、溶剂降解以及再生过程能耗高

方案

注意：本节所用设备、仪器和化学品的详细信息见材料表。

1. 用分子量为800 g/mol的聚乙烯亚胺（PEI 800）浸渍二氧化硅

1. 反应的准备
   1. 本反应使用无水甲醇作为溶剂。由于其沸点较低，挥发性有助于在较低温度下将其去除。
      注意：使用无水溶剂非常重要，因为水会阻止PEI 800进入二氧化硅载体的孔隙中。另一种常用溶剂是乙醇，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_amine = 胺的质量，m_silica = 所用二氧化硅的质量。
      公式1：
   3. MCM-41二氧化硅中胺的质量分数（w_amine）为59.9%（750 mg胺和500 mg二氧化硅）。每1 g胺使用....

结果

TGA 常用于量化这些材料中负载或接枝到二氧化硅表面的胺含量。所得 TGA 曲线显示在 60 °C 到 100 °C，如导数重量（重量%/°C曲线中的第一个峰，以及胺的损失，该损失显示在微分重量曲线（重量%/°C）作为第二个峰。对于PEI浸渍的二氧化硅，这种胺的损失预计出现在约 200 °C 至 300 °C，该峰在微分重量曲线上表现为第二个峰，而对于接枝了DAS的二氧化硅，胺基的损失预计出现在约 350 °C 至 550 °C (图6）。总体失重情况可反映负载或接枝到二氧化硅基质上的胺含量，是判断合成质量的重要表征参数。对于聚乙烯亚胺（PEI）浸渍样品， w_胺 通过TGA（热重分析）w_{胺_TGA_透射光显微图像}) = 59.2% ± 0.3% (n = 3)，与实验的w_{胺基实验接枝})= 59.9 % (图 6B). 对于DAS接枝的样品， w

讨论

本文所述方法旨在提供一种制备负载型及接枝型胺-二氧化硅复合吸附剂的实验方案。我们所记录的实验步骤基于对文献报道技术的综述以及在本实验室中优化的方法^1,2,3。此类材料的制备在二氧化碳去除研究领域具有重要意义，可用于开发或作为基准材料，以评估可用于降低大气中（直接空气捕集）或工业过程（点源捕集）CO₂排放的其他材料。在固载胺吸附剂中，介孔二氧化硅被广泛使用。二氧化硅基底通常合成方法简单，或可商业购得，其结构特性使其成为负载或接枝胺类固态吸附剂的理想选择²¹。在本实验中，选用MCM-41作为二氧化硅基底，因其具有较大的比表面积以及介于35 Å至38 Å之间的窄孔径分布。然而，另一种在碳捕集研究中广泛研究的二氧化硅载体为SBA-15，其同样因其高比表面积、大孔体积以及均匀的介孔尺寸而被广泛应用²⁴。已有研究表明，通过浸渍法使用MCM-41与P.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
无水甲醇	Sigma-Aldrich	322415	不带密封盖
无水甲苯	Sigma-Aldrich	244511	带密封盖
陶瓷搅拌加热板	NA	NA	搅拌板的尺寸、功率和热性能将根据各实验室的具体设施而有所不同。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）	Nicolet i550 系列光谱仪	NA	使用 OMNIC 标准软件运行
气密性注射器	NA	NA	只要气密性注射器具有聚四氟乙烯（PTFE）推杆和鲁尔接头，适用于对空气敏感的操作技术，即可用于本方案。
玻璃小瓶	NA	NA	只要小瓶由硼硅酸盐玻璃制成并配有螺口盖，其品牌、尺寸或整体形状对本方案均无影响。
MCM-41 二氧化硅	ACS Material	MSM41A01	CAS 编号 7631-86-9
金属针头	NA	NA	注射器针头需为不锈钢材质。建议根据使用气密性注射器转移的物质来确定针头的长度和外径。对于大量液体的转移，较大的外径可提高转移效率。
N’-(3-三甲基硅丙基)二乙烯三胺（DAS）	Sigma-Aldrich	104884	带密封盖
聚乙烯亚胺（PEI）	Sigma-Aldrich	408719	不带密封盖
施兰克圆底烧瓶	ChemGlass AirFree	NA	只要烧瓶适用于高压和高温条件，其品牌、尺寸或整体形状对本方案均无影响
热重分析（TGA）	TA Advantage	NA	来自 Waters 和 TA Instruments 的 550 系列