Melhorando a capacidade de adsorção de CO2 do ZIF

May 31, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 17584 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Estruturas metal-orgânicas (MOFs) e estruturas zeolíticas de imidazolato (ZIFs) são materiais porosos promissores para adsorção e armazenamento de gases de efeito estufa, especialmente CO2. Neste estudo, guiado pelo diagrama de fases do CO2, exploramos o comportamento de adsorção do CO2 sólido carregado com estrutura ZIF-8 aquecendo a amostra sob altas pressões, resultando em uma melhoria drástica na absorção de CO2. O comportamento do CO2 sob condições simultâneas de alta temperatura (T) e pressão (P) é monitorado diretamente por espectroscopia FTIR in situ. O notável aumento na capacidade de adsorção de CO2 observado pode ser atribuído ao efeito sinérgico de T e P elevados: a alta temperatura aumenta grandemente a propriedade de transporte do CO2 sólido, facilitando a sua difusão na estrutura; a alta pressão modifica efetivamente o tamanho e a forma dos poros, alterando a orientação do ligante e criando novos locais de adsorção dentro do ZIF-8. Nosso estudo fornece, portanto, novos insights importantes sobre o ajuste e o aprimoramento da capacidade de adsorção de CO2 em MOFs/ZIFs usando pressão e temperatura combinadas como uma abordagem sinérgica.

Para enfrentar os desafios associados ao aquecimento global, a captura e armazenamento de gases com efeito de estufa e, especialmente, de dióxido de carbono são de importância fundamental. Em comparação com os métodos baseados em quimissorção de baixa eficiência energética, materiais fisiossorventes sólidos, como carvões ativados, zeólitas, estruturas metal-orgânicas (MOFs) e estruturas zeolíticas de imidazolato (ZIFs), que têm capacidades térmicas mais baixas e requerem menor energia de regeneração, têm atraído cada vez mais atenção. Em particular, os MOFs e os ZIFs, como uma subclasse de MOFs, surgiram como materiais porosos promissores para captura e armazenamento de gases de efeito estufa. Esses materiais possuem propriedades únicas, como área superficial muito alta, porosidade bem definida, alta estabilidade química e estrutural, juntamente com sua modularidade e tamanho/funcionalidade de poros ajustáveis1,2. Todas estas propriedades apresentam um potencial notável para alcançar um desempenho ideal de captura e armazenamento de CO2. Na grande família ZIF, o ZIF-8 [Zn(MeIm)2, MeIm = 2-metilimidazolato] é o membro mais conhecido. ZIF-8 é construído conectando cada íon de zinco tetraedricamente a quatro ligantes de metilimidazolato individuais. Possui topologia de sodalita (SOD) contendo gaiolas com diâmetro de 11,6 Å e abertura de gaiola de 3,4 Å (Fig. Suplementar S1)3. Esses parâmetros específicos fazem com que o ZIF-8 exiba excelente capacidade de adsorção para pequenas moléculas de gás com diâmetros cinéticos apropriados, cujas propriedades estruturais e desempenho de adsorção de gás, incluindo CO2, foram extensivamente estudados na última década sob condições ambientais, altas pressões externas e a baixas temperaturas por métodos experimentais e computacionais5,6,7,8.

De particular interesse são investigações recentes do efeito de pressão em diferentes classes de MOFs, que revelaram comportamentos estruturais altamente diversificados . Entre estes, os ZIFs e especialmente o ZIF-8 sob alta pressão externa foram examinados extensivamente21,22,23,24,25,26,27,28. Mais significativamente, vários estudos mostraram que a aplicação de alta pressão externa pode efetivamente ajustar a capacidade de armazenamento de CO2 em MOFs/ZIFs8,29,30,31,32. Isso ocorre porque a pressão externa pode alterar a topologia da estrutura MOF/ZIFs, alterar o tamanho e a forma dos poros, melhorar as interações hospedeiro-convidado entre a estrutura e o CO2 adsorvido e até mesmo criar novos locais de adsorção, levando a um aumento da capacidade de adsorção de CO2. Porém, à temperatura ambiente, a solidificação do CO2 ocorre a uma pressão acima de 0,6 GPa33. Esta mudança de fase do CO2 limita severamente a inserção adicional de CO2 nas cavidades do ZIF-8 a pressões mais altas, uma vez que o CO2 sólido é imóvel e não difusível. Este problema pode ser remediado se uma mistura de CO2 sólido e ZIF-8 for aquecida a uma temperatura na qual o CO2 sólido existente fora do ZIF-8 seja mobilizado, de modo que um número significativamente maior de moléculas de CO2 possa ser pressionado na estrutura dos ZIFs por pressão. Mais importante ainda, as informações estruturais detalhadas, a estabilidade de pressão e temperatura, bem como as propriedades de adsorção de CO2 em ZIF-8 estabelecidas em estudos anteriores permitem a compreensão do possível efeito sinérgico de alto P e alto T na adsorção de CO2 em ZIF-8 Neste trabalho, usando o diagrama de fases do CO2 como guia e a espectroscopia IR in situ como ferramenta, examinamos o comportamento de adsorção de CO2 do ZIF-8 em uma célula bigorna de diamante (DAC) aplicando simultaneamente alta temperatura e pressão. Até onde sabemos, este é o primeiro relatório que investiga o comportamento da ingestão de CO2 em condições simultâneas de alto P e alto T para MOFs e especialmente para ZIF-8. Nossos resultados mostram claramente que sob condições de alta P – T cuidadosamente controladas, a absorção de CO2 do ZIF-8 é drasticamente aumentada, tornando-o um material promissor para armazenamento de CO2.