Functionalized Graphene-based Ensembles for Carbon Capturing Membranes
Abstract
I et forsøk på å håndtere den forestående klimakrisen ble et utvalg av karbonfangendesammensatte matriksmembraner, beriket med grafen-baserte nanofyllere, sammenlignet ogevaluert på grunnlag av deres CO2-permeabilitets- og CO2/N2 selektivitetspresentasjoner.Oppgaven forsøker å presentere en omfattende studie av de viktigste litteraturresultatene pådette forskningsområdet. Matriser som polyimid (PI), poly(eter block amid) (PEBAx), sulfonertpoly(eter eter keton) (SPEEK), polysulfon (PSf), og etyl cellulose (EC), i tillegg til en avansertcopolymer (PEDM) ble analysert etter å ha blitt «dopet» med ulike funksjonaliserte grafenbasertenanofyllere. De funksjonaliserte enhetene involvert var imidazol grupper, aminogrupper,ioniske væsker, organiske metallrammeverk (MOFs), zeolitiske imidazolrammeverk(ZIFs), etylenoksid (EO) grupper, sulfonerte grupper med flere.
Resultatene viste at det var en økning i både permeabilitet og selektivitet sammen med enøkning i fyllstoff. Denne trenden ble observert opp til en viss optimalisert konsentrasjon, før ennedgang inntraff for begge egenskapene. Nedgangen av egenskapene var forårsaket på grunnav agglomerering blant de grafen-baserte nanolagene, som var et resultat av interaksjonskrefter.De beste ytelsene ble oppnådd ved å benytte membraner av PEBAx eller SPEEK matriser sompolymerere, under fuktige forhold. Vann deltok i reaksjoner med CO2, som økte diffusjonen.Inkorporerte nanofyllere som inneholdt EO- og amino-grupper viste seg å være mest lovende,på grunn av EOs gode affinitet til CO2 som økte løselighetsselektiviteten, og aminenesreversible reaksjoner med CO2 når vann var til stede som medvirket til en forbedretreaktivitetsselektivitet. Forslag for fremtidig arbeid basert på disse resultatene har også blittforeslått. In an effort to help deal with the impending climate crisis, an assortment of carbon capturingmixed matrix membranes enriched with functionalized graphene-based nanofillers werecompared and evaluated based on their CO2 permeability and CO2/N2 selectivity performances.The thesis attempts to present a comprehensive study on the most important literature resultson this research area. Matrices such as polyimide (PI), poly(ether-block-amide) (PEBAx),sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK), polysulfone (PSf), and ethyl cellulose (EC), inaddition to an advanced copolymer (PEDM) were analysed after being “doped” with differentgraphene nanofillers. The functional units attached onto graphene involved imidazole groups,amino-groups, ionic liquids, metal organic frameworks (MOFs), zeolitic imidazole frameworks(ZIFs), ethylene oxide (EO) groups, sulfonated groups, and others.
Results showed that there was an increase in both permeability and selectivity along with anincrease in the content filler. This trend was observed up to a certain optimized concentration,before a decrease for both properties occurred. Degradation of properties, was due toagglomeration of the graphene-based nanosheets, caused by interactions effects. The bestmembranes were obtained using PEBAx or SPEEK as polymers, under humidified conditions.Water was then participating in reactions with CO2, increasing the diffusion. Incorporatednanofillers containing EO- or amino functionalized graphene were most promising due to EO’sgood affinity towards CO2, increasing the solubility selectivity, and amine’s reversible reactionswith CO2 when water was present, contributing to an enhanced reactivity selectivity.Inspirations for future work based on these results have also been suggested.