バイオマスにおけるCO2吸着における界面化学の役割

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8917 (2022) この記事を引用

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バイオマス由来の多孔質炭素は、その多孔質構造と高い比表面積により、CO2 捕捉に最も効果的な吸着剤の 1 つと考えられています。 この研究では、セロリバイオマスから多孔質炭素を合成することに成功し、実験および分子動力学（MD）シミュレーションで時間、温度、圧力などの外部吸着パラメーターがCO2取り込みに及ぼす影響を調べました。 さらに、炭素の表面化学（カルボキシルおよびヒドロキシル官能基）と窒素の種類が CO2 捕捉に及ぼす影響を、MD シミュレーションを利用して調査しました。 結果は、ピリジン性窒素が黒鉛よりも CO2 を吸着する傾向が大きいことを示しました。 これら 2 種類の窒素が同時に存在すると、構造内にそれぞれが個別に存在する場合よりも CO2 収着に大きな影響を与えることがわかりました。 また、炭素マトリックスにカルボキシル基（O=C-OH）を付加すると、CO2の捕捉が約10％向上することも明らかになった。 さらに、シミュレーション時間とシミュレーション ボックスのサイズを増やすことにより、最適構造のシミュレーション結果の平均絶対相対誤差は 16% まで減少しました。これは許容可能な値であり、さまざまな条件下で吸着容量を予測するためのシミュレーション プロセスの信頼性が高くなります。

化石燃料の燃焼の副産物としての二酸化炭素（CO2）は、異常な気候変動と地球温暖化の主な原因です1、2、3。 燃料ベースの発電所のみが 2030 年までに CO2 排出量の 50% 増加を引き起こすと推定されています4。しかし、不可欠なエネルギー源として化石燃料への強い需要があるため、CO2 排出を避けることはできません。 したがって、CO2 の回収と貯留は近年大きな注目を集めており、効率的な CO2 吸着のための材料や新しいアプローチを開発するために広範な研究が行われています5。 高圧燃料ガス流下での CO2 吸着を表現するための考えられる戦略には、溶媒吸収、膜分離、圧力スイング吸着 (PSA)、および温度スイング吸着 (TSA) が含まれます。 PSA は、操作の簡単さと利便性、低コスト、省エネ (再生に加熱が不要)、および経済的実現可能性により潜在的な選択肢であり、中規模および小規模の活動の場合に特に有益です 6,7、 8. PSA 技術は、さまざまな吸着剤と吸着容量率を使用するガス分離における循環吸着プロセスです。 この手順で優れた分離性能を達成するには、吸着剤の種類が重要です9,10。 その結果、MOF（金属有機フレームワーク）、ゼオライト、多孔質ポリマー、官能化多孔質シリカ、金属酸化物、官能化活性炭、多孔質炭素などのさまざまな固体吸着剤がこの目的に適切であることが確認されています11。 バイオマス由来の多孔質炭素は、優れたテクスチャー特徴、高い表面積、調整可能な空隙率、高い安定性、低コストのため、CO2 回収に最も望ましい吸着剤とみなされています12。

多孔質カーボンは、環境およびエネルギー用途で一般的に使用されています1。 これらは、ガスの捕捉、貯蔵、分離のための触媒担体およびマトリックスとして多くの可能性を秘めています2,3。 合成多孔質炭素の表面積、細孔構造、および表面化学の増加により、最近では CO2 吸着能力が向上した新しいタイプの開発が行われています。 CO2 捕捉は、特定の合成方法を適用し、窒素、酸素、硫黄などの官能基を追加することによって調整することもできます 13,14。 特に、何人かの研究者は、多孔質炭素に狭い微細孔容積が存在すると、CO2 吸収能力が強化されることを示唆しています15。

吸着物と吸着剤の間で電子移動が起こらない場合、吸着プロセスにおいて CO2 分子が吸着剤の表面に選択的に吸着されます。 ガスの物理吸着現象は、ファンデルワールス力が分子を開放表面上に保持できるよりもはるかに長く保持するときに発生し、CO2 の脱離と再利用のための吸着剤の再生が容易になります16。 吸着は複雑な挙動であるため、さまざまな吸着剤を調査することが重要です。 さらに、測定できない温度や圧力での吸着値を調べることは困難です。 したがって、それらを工業的かつナノスケールで予測することが必要です。 その結果、分子シミュレーションは実験的測定を補完する技術として利用されてきました。 これは、特性データの追加ソースとして、吸着の詳細とシステムのさまざまなコンポーネント間の分子相互作用についての重要な深い洞察を提供します。 分子動力学 (MD) またはモンテカルロ (MC) アプローチは、顕微鏡的方法論を使用してガスの溶解度 - 吸着を推定するために使用できます 17,18。 さまざまなシミュレーション手法の中で最も正確なシミュレーション手法は分子動力学であり、これは手法の自由度によるものと考えられます。 MC のアプローチは確率論的 (確率論的) ですが、MD の方法は決定論的です。 MD では、分子の直接運動と壁や他の分子との衝突が考慮されます。 一般に、このアプローチはニュートンの第 2 法則に基づいており、粒子の経路はこの方程式を積分することによって計算されます。 システムの巨視的パラメータは、粒子のルート、動き、速度を取得し、計算された値を平均することによって取得できます19。 ab initio MD (AIMD)、反応性 MD (RxMD)、および非反応性古典 MD を含む MD シミュレーションは、ガス拡散率を予測するための構造的および動的特徴に対する電子または原子レベルの洞察を生成できます。 この方法は、ユーザーが空間と時間を通してシステムの動的経過全体を追跡できる、安定した適応可能な方法論です20,21。 また、グランドカノニカル モンテカルロ (GCMC) シミュレーションを使用して、さまざまな温度と圧力値の下での飽和量を決定できます。 吸着熱は吸着量から簡易的に計算することもできます。 さまざまな材料への CO2 吸着量に影響を与える要因を決定する研究が行われています 22。 Xiancheng Maらによれば、酸素官能基を有する微多孔性炭素は、バイオマス活性化を水熱処理することによって生成された。 この場合、GCMC シミュレーションでは、酸素基と細孔構造がそれぞれ CO2 吸着の 63% と 37% を担っていると推定されました。 また、酸素官能基が静電相互作用によって CO2 を保持していることも明らかになりました 15。 さらに、Chen et al. らは、GCMC および MD シミュレーションを実行して、最大 20 MPa の圧力範囲および特定の温度で、さまざまな細孔直径を持つ頁岩ナノ細孔における CH4 の吸着および拡散挙動を研究しました。 このモデルは、自由ゾーンと吸着ゾーンの分布、ガス数分布、ガス密度分布、自由ガスと吸収ガスの割合などの空間分布特性に関する予測を提供しました17。 リービン・チョンら。 また、MD シミュレーションと MC シミュレーションを使用して、未熟なタイプ II ケロジェンにおける CO2、CH4 の吸着を調査および比較しました。 CH4 と CO2 は、同様の膨潤能力と厳しい閉じ込め環境により、マトリックスの微細孔内で同様の吸着を示しました。 ケロゲン中での CH4 と比較して CO2 のより多くの取り込みは、メソサイズの細孔によることが判明しました 23。 Xinran Yuら。 GCMC シミュレーションを使用してカーボン ナノ スリットの空隙容積を決定し、ヘリウム吸着効果を軽減するための適切な実験環境を取得しました。 さらに、彼らは細孔内のヘリウムの捕捉とその局所密度を調べました24。 図 1 は、以前の研究で固体吸着剤に捕捉されたさまざまな気体と液体の概要を示しています 25、26、27、28。