پلیمرهای آلی متخلخل

پیشرفت اخیر در پلیمرهای آلی متخلخل و کاربرد آنها برای جذب CO₂

جذب، ذخیره سازی و مصرف کربن (CCSU) به عنوان یک روش موثر برای کاهش انتشار بالای CO₂ است. جذب CO₂ توسط محلول های آبی آمین از گاز دودکش بسیار بحث برانگیز است زیرا این گاز ظرفیت بالای جذب CO₂ و گزینش پذیری بالایی دارد. با این حال، این روش اغلب به فرسودگی تجهیزات، مصرف بالای انرژی دفعی و جذب CO₂ با استفاده از جاذب های جامد محدود می شود و به دلیل سادگی و بهره وری بالا در سال های اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. اخیراً، تعداد زیادی از پلیمرهای آلی متخلخل (POPs) برای جذب CO₂ طراحی و ساخته شده ‌اند و به دلیل داشتن سطح بالای برونوئر-امت-تلر (BET)، اندازه منافذ قابل تنظیم و عملکرد آسان به عنوان جاذب جامد برای جذب CO₂ استفاده می شوند. آنها معمولاً دارای اسکلت سفت، تخلخل دائمی و پایداری فیزیکوشیمیایی خوبی هستند. در این بررسی، ما یک بررسی مفصل از POP های مختلف توسعه یافته در سال های اخیر ارائه می دهیم که نه تنها یک استراتژی طراحی، بلکه ساختار ویژه ای برای جذب CO₂ محسوب می شود. چشم انداز فرصت ها و چالش های POP نیز پیشنهاد شده است.

انتشار بیش از حد CO₂ باعث گرم شدن شدید کره زمین شده است که تهدیدی بزرگ برای شرایط زندگی انسان و دیگر موجودات است. نحوه کاهش انتشار CO₂ کشف شده بود. اگرچه توسعه و بهره برداری از انرژی پاک تا حد زیادی بهبود یافته است اما مصرف سوخت های فسیلی همچنان رو به افزایش است. از این رو، انتشار بیش از حد CO₂ در آینده قابل پیش بینی است. CO₂ به عنوان یکی از منابع C₁ ارزان، بی ضرر، فراوان و سبز در نظر گرفته می شود. جذب بیش از حد از آن از محیط زیست و تبدیل آن به مواد شیمیایی با ارزش افزوده بالا مانند CO، متان، اتانول، اسید فرمیک و غیره نبایستی نادیده گرفته شود. به همین منظور، غنی سازی CO₂ از اهمیت بالایی برخوردار است. CO₂ معمولا به صورت فیزیکی و شیمیایی جذب می شود. محلول های آبی آمین به عنوان یک نوع جاذب شیمیایی کاربرد گسترده ای در جذب CO₂ از گاز دودکش دارند. با این حال، آمونیاک مایع می تواند باعث خوردگی تجهیزات شود و مصرف بالای انرژی باعث افزایش اتلاف آن می شود. از این رو، جاذب های جامد با توجه به ظرفیت های گرمایشی کم، ساختار منافذ قابل تنظیم و سطح بالای BET (SBET) بیشتر مورد توجه هستند. برای مثال معمولا از فریم ورک های فلزی-آلی کربن (MOFs)، کربن های فعال و پلیمرهای آلی متخلخل (POP) برای جذب CO₂ استفاده می شود. با این حال، MOF ها در شرایط پیچیده مانند گاز دودکش (N₂، O₂، CO₂، H₂O، SOₓ و NOₓ) در مقابل ساختار ناپایدار آنها از پایداری شیمیایی برخوردار هستند و همچنین، آزاد شدن لیگاندهای آلی و یون های فلزی نیز محیط زیست را تهدید می کنند. کربن ‌های فعال معایبی نیز دارند همچون گزینش پذیری ضعیف و عملکرد دشوار. در میان آنها، POP ها به دلیل آماده سازی و عامل دار شدن آسان، گزینش پذیری و پایداری فیزیکوشیمیایی بالا بسیار توجه قرار گرفته اند. POP ها با اتصال عرضی عناصر سبک تر (C، H، B، O، N، S، P و غیره) از طریق پیوندهای کووالانسی ساخته می شوند.

POP ها به عنوان نوعی از مواد جذب کننده کربن خوب چندین مزیت دارند:

1) POP ها توسط مونومرهای صلب ساخته می شوند که منجر به تخلخل دائمی در پلیمرها می شوند.

2) روش های تشکیل پیوند و واکنش های اتصال عرضی زیادی وجود دارد که پلیمرها با ساختارهای توپولوژیکی مختلف و منافذ قابل تنظیم را ایجاد می کنند.

3) POP ها با اتصال متقابل عناصری ساخته می شوند که پلیمرها را با ظرفیت جرمی بالای CO₂ تشکیل می دهند.

4) POP ها با پیوندهای کووالانسی ساخته می شوند که پایداری فیزیکوشیمیایی آنها را تقویت می کند. به این ترتیب، POP ها با عملکرد خاص و ساختارهای متخلخل را می توان طراحی کرده و برای جذب CO₂، ذخیره انرژی، کاتالیز و غیره سنتز کرد.

 تا کنون، POP ها از لحاظ ساختاری و روش های مختلف ساخت به شش نوع تقسیم شده اند: پلیمرها با پیوند عرضی (HCP)، پلیمرهای میکرومتخلخل مزدوج (CMP)، پلیمرهای میکروتخلخل ذاتی (PIM)، فریم ورک های آروماتیک متخلخل (PAF)، فریم ورک های آلی کووالانسی (COF) و فریم ورک های تریازین کووالانسی (CTF). HCP، PIM، CMP و PAF ها دارای ساختار آمورف (متخلخل) هستند که از طریق واکنش های برگشت ناپذیر تحت کنترل جنبشی سنتز می شوند. در حالی که COF و CTF ها ساختار کریستالی دارند و توسط واکنش های برگشت پذیر تحت کنترل ترمودینامیک سنتز می شوند.

در اینجا، ما به طور سیستماتیک به بررسی ساختارهای مختلف POP در جذب CO₂ پرداخته ایم. POP به عنوان نوعی پلیمر امیدوارکننده توسط عناصر سبک تر، مونومرهای صلب، بسیاری از روش های تشکیل پیوند شیمیایی، واکنش های اتصال عرضی و پیوندهای کووالانسی صلب ساخته شده است. بنابراین، مقدار زیادی POP ساخته شد. SBET بالا، هترواتم های فراوان، ثبات فیزیکوشیمیایی بالا و تخلخل منحصر به فرد عملکرد POP ها در جذب CO₂ را تقویت می کند. در مقایسه با سایر مواد متخلخل، ساختار متخلخل و گروه های عامل POP ها را می توان تنظیم کرد. به این ترتیب، POP ها با SBET بالا، محتوای هترواتم ها، و محتوای فوق میکرومتخلخل می توانند طراحی و ساخته شوند. با این حال، استفاده از POP در جذب CO₂ محدود به ظرفیت جذب است. همانطور که دیگر ادبیات نیز گزارش شده است، SBET، ولترا و هترواتم ها نقش کلیدی در جذب CO₂ دارند. برای مثال، HCP ها حلقه‌ های آروماتیکی هستند که همیشه از طریق واکنش فریدل-کرافت چند جایگزینی و به صورت متقاطع متصل می‌ شدند و در نهایت، منجر به تشکیل SBET بالا و فوق میکرومتخلخل فراوان می شود. با این حال اتصال بیش از حد متقاطع می تواند تعداد زیادی منافذ بسته یا حتی ساختار جامد ایجاد کند که تاثیری در جذب CO₂ ندارند. از این رو، کربن ‌سازی دمای بالا روشی امیدوارکننده برای ایجاد میکرومنافذ زیادی در پلیمرها بود. اگرچه کربن های فعال به خوبی CO₂ را جذب می کنند اما به دلیل عدم وجود گروه های عامل دار و هترواتم ها، گزینش پذیری محدودی برای CO₂/N₂ دارند که در گزینش پذیری CO₂/N₂ فاکتور مهمی محسوب می شود. کربن ‌های متخلخل حاصل از POP همیشه جذب CO₂ خوبی داشتند و همچنین گزینش پذیری خوبی از CO₂/N₂ برای محتوای هترواتم فراوان POP از خود نشان دادند. استفاده از CO₂ جذب شده نیز یک استراتژی امیدوارکننده برای کاهش انتشار بیش از حد CO₂ بود. CO₂ به عنوان نوعی منبع C₁ می تواند از طریق واکنش سیکلو ادیشن بین CO₂ و اپوکسید برای تهیه کربنات های حلقوی استفاده شود. با عامل دار شدن مایعات یونی یا یون های فلزی، از POP ها می توان در کاتالیزورهای واکنش سیکلو ادیشن برای تثبیت CO₂ استفاده کرد. انتشار بیش از حد CO₂ باعث ایجاد خطرات شدید آب و هوایی شده است. کاهش آن نیز نبایستی نادیده گرفته شود. از این رو، POP ها به عنوان نوعی مواد امیدوار کننده بیشتر و بیشتر با قابلیت های جدید طراحی و ساخته خواهند شد. ما امیدواریم این بررسی بتواند در طراحی و سنتز POP ها در مسیر توسعه جذب و دیگر عملکردها مفید باشد.