Functionalized Graphene-based Ensembles for Carbon Capturing Membranes

Abstract

I et forsøk på å håndtere den forestående klimakrisen ble et utvalg av karbonfangende sammensatte matriksmembraner, beriket med grafen-baserte nanofyllere, sammenlignet og evaluert på grunnlag av deres CO2-permeabilitets- og CO2/N2 selektivitetspresentasjoner. Oppgaven forsøker å presentere en omfattende studie av de viktigste litteraturresultatene på dette forskningsområdet. Matriser som polyimid (PI), poly(eter block amid) (PEBAx), sulfonert poly(eter eter keton) (SPEEK), polysulfon (PSf), og etyl cellulose (EC), i tillegg til en avansert copolymer (PEDM) ble analysert etter å ha blitt «dopet» med ulike funksjonaliserte grafenbaserte nanofyllere. 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 en økning i fyllstoff. Denne trenden ble observert opp til en viss optimalisert konsentrasjon, før en nedgang inntraff for begge egenskapene. Nedgangen av egenskapene var forårsaket på grunn av 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 som polymerere, 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 aminenes reversible reaksjoner med CO2 når vann var til stede som medvirket til en forbedret reaktivitetsselektivitet. Forslag for fremtidig arbeid basert på disse resultatene har også blitt foreslått.

In an effort to help deal with the impending climate crisis, an assortment of carbon capturing mixed matrix membranes enriched with functionalized graphene-based nanofillers were compared 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 results on 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), in addition to an advanced copolymer (PEDM) were analysed after being “doped” with different graphene 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 an increase 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 to agglomeration of the graphene-based nanosheets, caused by interactions effects. The best membranes were obtained using PEBAx or SPEEK as polymers, under humidified conditions. Water was then participating in reactions with CO2, increasing the diffusion. Incorporated nanofillers containing EO- or amino functionalized graphene were most promising due to EO’s good affinity towards CO2, increasing the solubility selectivity, and amine’s reversible reactions with CO2 when water was present, contributing to an enhanced reactivity selectivity. Inspirations for future work based on these results have also been suggested.