Φασματοσκοπική μελέτη δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα με καινοτόμα υλικά αμινών

• Κύριος συγγραφέας: Χριστοφίδη, Αλκμήνη
• Άλλοι συγγραφείς: Christofidi, Alkmini
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Αμίνες; Δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα; Φασματοσκοπία υπερύθρου; Φασματοσκοπία Raman; Mesoporous silica (KIT-6); Raman spectroscopy

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η φασματοσκοπική μελέτη δέσμευσης του διοξει- δίου του άνθρακα με καινοτόμα υλικά αμινών και αποτελεί μέρος του CIRA Project, το οποίο πραγ- ματοποιείται στο Khalifa University of Science and Technology σε συνεργασία με το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Τα δείγματα που μελετήθηκαν ήταν 12 και παρελήφθησαν από το KU, όπου και παρασκευάστηκαν μέσω της μεθόδου “grafting aminosilanes” , βάσει της ο- ποίας οι αμίνες χρησιμοποιήθηκαν ως ένθετα σε πορώδη φορέα. Ως πορώδης φορέας επιλέχθηκε η μεσοπορώδης σίλικα (ΚΙΤ-6) και οι αμίνες ήταν 4 είδη (πρωτοταγείς, δευτεροταγείς, τριτοταγείς, πο- λυαμίνη). Τα δείγματα περιλάμβαναν είτε ένα είδος αμίνης είτε συνδυασμό ειδών και μελετήθηκαν μέσω in situ φασματοσκοπίας Raman και in situ φασματοσκοπίας FTIR, σε μορφή δισκίων και σκόνης αντίστοιχα. Οι παραπάνω μέθοδοι στόχευαν στη μελέτη της αλληλεπίδρασης των αμινο-ομάδων και του φορέα με το CO2, μέσω της συσχέτισης των κορυφών που παρουσιάζονταν στα φάσματα με τις αντίστοιχες ομάδες που πιθανώς αντιπροσωπεύουν, καθώς και στην μελέτη της ικανότητας προσ- ρόφησης CO2 των υλικών μέσω της έντασης των κορυφών. Επίσης μέσω της φασματοσκοπίας ήταν δυνατή η μελέτη των διαφοροποιήσεων του πορώδη φορέα λόγω της μεθόδου ενσωμάτωσης των αμινών. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε 3 θερμοκρασίες, με αρχική τους 25°C και στη συνέχεια αύξηση σε 45°C και 65°C, ώστε να διαπιστωθεί η επίδραση της αύξησης θερμοκρασίας στην προσ- ροφητική ικανότητα των δειγμάτων, για πίεση 1 bar. Τα αέρια λειτουργίας ήταν He και CO2 και τα φάσματα λήφθηκαν αρχικά υπό ροή He και ακολούθως υπό ροή CO2, μέσω κατάλληλου λογισμικού. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων μέσω της φασματοσκοπίας Raman, δεν συνέβαλαν στην αποσα- φήνιση του μηχανισμού δέσμευσης του CO2, καθώς υπήρχε υψηλός φθορισμός και η εικόνα των φασμάτων δεν επέτρεπε την παρατήρηση των χαρακτηριστικών κορυφών. Συνεπώς, τα αποτελέ- σματα που αξιολογήθηκαν βασίζονται στην φασματοσκοπία FTIR. Από τα φάσματα που λήφθηκαν για τα πρώτα 8 υλικά δίχως ροή CO2, παρατηρήθηκε πως η τε- χνική “grafting aminosilanes” οδηγεί στην κατανάλωση επιφανειακών σιλανολών και προκαλεί δια- ταραχή στις λειτουργίες των ομάδων Si-O-Si. Υπό συνεχή ροή CO2 μελετήθηκε η διαφορά στο μηχα- νισμό δέσμευσης του αερίου, μεταξύ του ΚΙΤ-6 χωρίς τις αμινο-ομάδες και του ΚΙΤ-6 συμπεριλαμ- βανομένων των αμινο-ομάδων. Για αμιγή ΚΙΤ-6, η δέσμευση του CO2 πραγματοποιείται μέσω κατα- νάλωσης μορίων νερού και σιλανολών ελεύθερης επιφάνειας, οι οποίες εμφανίζουν χαρακτηριστι- κές κορυφές με προσανατολισμό προς τα επάνω στο φάσμα. H δέσμευση του CO2 από τα υλικά με ένθετες αμινο-ομάδες οδηγεί στον σχηματισμό καρβαμικών, με χαρακτηριστική κορυφή για τον δε- σμό C=O. Στα φάσματα των υλικών με ένθετες αμινο-ομάδες παρουσιάζονται και άλλες κορυφές σχετιζόμενες με δονήσεις δεσμών όπως οι Ν-Η, C-N αλλά και κορυφές που υποδεικνύουν την ύπαρξη ομάδων CH2/CH3 οι οποίες είναι παρούσες στις αμίνες. Συγκρίνοντας τα φάσματα των υλικών μεταξύ τους φαίνεται πως τα δείγματα που έφεραν δευτε- ροταγή αμίνη ή συνδυασμό αμινών που περιλάμβανε δευτεροταγή αμίνη, είχαν τη μεγαλύτερη προσροφητική ικανότητα. Επίσης, η προσροφητική ικανότητα διαφοροποιούνταν ανάλογα με την επεξεργασία του πορώδους στερεού. Η επεξεργασία του ΚΙΤ-6 με διάλυμα NH3 σε συνδυασμό με την ενσωμάτωση δευτεροταγούς αμίνης είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία ενός αρκετά ισχυρού δεσμευτικού του CO2. Η αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 45°C σε ορισμένα δείγματα προκαλούσε βελτίωση στην προσροφητική ικανότητα, ενώ η περαιτέρω αύξηση στους 65°C είχε αμελητέα επίδραση. Η προσρο- φητική ικανότητα σε διάφορες πιέσεις παρατηρήθηκε και μέσω διαγραμμάτων προσρόφησης-πίε- σης τα οποία βασίστηκαν σε δεδομένα από το Khalifa University of Science and Technology.