微孔气凝胶制造技术

本公开总体上涉及一种微孔气凝胶、用于制备微孔气凝胶的工艺以及微孔气凝胶的应用。本公开总体上还涉及一种用于从气流或大气中捕获二氧化碳的设备，所述设备包括用于选择性地吸附和解吸二氧化碳的微孔气凝胶。吸附和解吸二氧化碳的微孔气凝胶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微孔气凝胶


[0001]本公开总体上涉及一种微孔气凝胶、用于制备微孔气凝胶的工艺以及微孔气凝胶的应用。本公开总体上还涉及一种用于从气流或大气中捕获二氧化碳的设备，该设备包括用于选择性地吸附和解吸二氧化碳的微孔气凝胶。

技术介绍

[0002]多种方法已经用于CO2捕获，包含使用基于液体和基于固体的吸附剂。所用的液体通常涉及碱性溶液，其与CO2发生化学反应。然而，再生材料的吸收速率和能量需求具有挑战性。此外，存在由高度碱性的液体引起的腐蚀和蒸发问题。由于其良好的吸附能力，固体吸附剂在CO2捕获和封存中的应用受到了越来越多的关注。存在许多可以使用的新兴的固体材料，包含胺官能化的二氧化硅、氧化物、沸石、碳、聚合物和金属有机框架(MOF)。虽然这些材料提供较低的再生能量，但合成的成本可能较高，并且这些材料中的一些需要使用昂贵的化学品、有毒溶剂，具有多步骤操作(提取、过滤、洗涤和干燥)是热不稳定的并且容易发生化学降解。
[0003]因此，需要提供替代的或改进的气凝胶和用于制备替代的或改进的气凝胶的工艺。

技术实现思路

[0004]本公开提供了一种替代的微孔气凝胶，特别是用于二氧化碳捕获的基于二氧化硅的气凝胶，用于制备基于二氧化硅的气凝胶的工艺，并入基于二氧化硅的气凝胶的吸附设备，以及相关联的吸附和解吸方法。本专利技术的专利技术人对使用基于二氧化硅的气凝胶从气流中捕获二氧化碳(CO2)的工艺进行了研究和开发。可以定制基于二氧化硅的气凝胶组合物以提供对CO2吸附效率的控制和选择性。特别地，基于二氧化硅的气凝胶可以通过吸附气凝胶内的CO2来从低CO2浓度气流中捕获CO2，从而将其从气流中去除。然后，可以从基于二氧化硅的气凝胶中收集吸附的CO2，并且再生的基于二氧化硅的气凝胶可以再次用于吸附更多的CO2(例如，再循环、连续地循环)。本文所述的本公开还可针对工业应用而扩展，并且可以发现尤其在CO2的直接空气捕获中的用途。本文所述的使用选定的基于二氧化硅的气凝胶的本公开可以组合以下有利性质中的一种或多种：微孔性、疏水性、CO2选择性、用于有效捕获的环境CO2条件、二氧化碳的吸附热和/或再生的能力。
[0005]在一个方面，提供了一种用于二氧化碳捕获的基于二氧化硅的气凝胶，其中所述微孔气凝胶包括多个孔，并且至少50％的孔具有小于约2nm的直径。气凝胶可以从CO2浓度小于约10体积％的环境中的空气中吸附CO2。气凝胶可以从CO2浓度小于约2体积％的封闭环境或室内环境(DACi)中的空气中吸附CO2。气凝胶可以从CO2浓度约为0.04体积％的环境中的空气中吸附CO2，其中该环境是直接空气捕获(DAC)。
[0006]在一个实施例或实例中，气凝胶的CO2吸附量可以是至少0.47mmol/g。
[0007]在一些实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一
种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物或由其组成。
[0008]在一个实施例或实例中，气凝胶的密度可以是约0.02g/cm3至约0.6g/cm3。在一个实施例或实例中，气凝胶可以具有在约0.1m2/g和500m2/g之间的表面积。在一个实施例或实例中，气凝胶可以具有约0.1nm至约2nm的孔径。
[0009]在一些实施例或实例中，气凝胶可以是颗粒、粉末、珠、粒、片/层、铸块、圆柱体、盘、多孔膜或整料的形式。气凝胶可以包括多个颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层。
[0010]在一些实施例或实例中，气凝胶可以是自支撑气凝胶。在另一实施例或实例中，气凝胶可以作为涂料组合物或膜被施加在基材上。
[0011]在一个实施例或实例中，反应产物可以经由一锅合成法来制备。
[0012]在另一实施例或实例中，气凝胶可以是复合材料的形式，其中所述复合材料可以包括气凝胶、一种或多种添加剂、任选地润滑剂和任选地溶剂或由其组成。一种或多种添加剂可以选自粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)和纳米颗粒。基于气凝胶的总重量，添加剂的量可以是约5重量％至约35重量％。在一些实施例或实例中，复合材料可以是以粒料、珠、片或粒形式的自支撑的。在其他实施例中，所述复合材料可以作为涂料组合物、糊剂或膜被施加在基材上。
[0013]在另一方面，提供了一种气凝胶复合材料，所述气凝胶复合材料由以下组成：(i)根据本文所述的实施例或实例中任一者所述的微孔气凝胶或其组合，所述微孔气凝胶包括氨基取代的硅烷、硅酸盐和任选地烷基取代的硅烷的反应产物；(ii)一种或多种添加剂，其中添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％；(iii)任选地润滑剂；和任选地溶剂。一种或多种添加剂可以选自粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)和纳米颗粒。粘合剂可以选自基于纤维素的聚合物、基于硅烷的聚合物、基于纤维素
‑
硅氧烷的聚合物、基于聚乙二醇的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、膨润土、石墨或其组合。
[0014]在另一方面，提供了一种用于制备用于二氧化碳的基于二氧化硅的微孔气凝胶的工艺，其中所述微孔气凝胶包括多个孔，并且至少50％的孔具有小于约2nm的直径，所述工艺包括：(i)(a)混合包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷、任选地缓冲剂、任选地一种或多种添加剂和溶剂体系的水溶液，以形成湿凝胶基质；和(ii)干燥所述湿凝胶基质以提供干燥的基于二氧化硅的气凝胶，条件是干燥所述湿凝胶基质不涉及超临界CO2。
[0015]在一个实施例或实例中，所述工艺可以是溶胶凝胶工艺，并且步骤(ii)包括：(a1)任选地加热所述湿凝胶基质以获得凝胶；和(a2)通过溶剂蒸发和/或热处理干燥凝胶，以提供干燥的基于二氧化硅的气凝胶。
[0016]在另一实施例或实例中，步骤(ii)可以进一步包括：(b1)其中湿凝胶基质可以被施加至基材以形成涂覆基材的湿凝胶膜；和(b2)通过溶剂蒸发和/或热处理干燥所述湿凝胶膜，以提供干燥的基于二氧化硅的涂覆的基材。
[0017]在另一实施例或实例中，所述工艺可以进一步包括通过以下来制备气凝胶复合材料或由通过以下来制备气凝胶复合材料组成：(c1)将由根据如本文所述的实施例或实例中任一者所述的气凝胶或其组合、一种或多种添加剂、任选地润滑剂组成的混合物压制成粒料，其中添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％；或者(c2)液体挤出由根据如本文所述的实施例或实例中任一者所述的气凝胶或其组合、一种或多种添加剂、任选地润滑剂
和任选地溶剂组成的混合物，以提供粘性糊剂，其中添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％。
[0018]氨基取代的硅烷可以具有如本文所述的实施例或实例中任一者所定义的式1R1Si(OR2)
n
‑
L
‑
NH2。
[0019]烷基取代的硅烷可以具有如本文所述的实施例或实例中任一者所定义的式2R
5m
Si(OR6)
n
。
[0020]硅酸盐可以具有如根据本文所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于二氧化碳(CO2)捕获的基于二氧化硅的微孔气凝胶，其中所述微孔气凝胶包括多个孔，并且至少50％的所述孔具有小于约2nm的直径。2.根据权利要求1所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶从CO2浓度小于约10体积％的环境中的空气中吸附CO2。3.根据权利要求1或权利要求2所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶从CO2浓度小于约2体积％的封闭环境中的空气中吸附CO2。4.根据权利要求1至3中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶从CO2浓度为约0.04体积％的环境中的空气中吸附CO2。5.根据权利要求4所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶的CO2吸附为至少0.47mmol/g。6.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物。7.根据权利要求6所述的微孔气凝胶，其中所述氨基取代的硅烷符合式1：R1Si(OR2)
n
‑
L
‑
NH2式1其中：R1是C1‑6烷基或者不存在；R2是C1‑6烷基；L是硅和氮原子之间的
‑
C1‑6烷基
‑
连接基团；并且n是2或3。8.根据权利要求7所述的微孔气凝胶，其中所述氨基取代的硅烷具有至少约40mol％的负载量％。9.根据权利要求6至8中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述氨基取代的硅烷具有小于约60mol％的负载量％。10.根据权利要求6所述的微孔气凝胶，其中所述烷基取代的硅烷符合式2：R
5m
Si(OR6)
n
式2其中：R5和R6各自独立地选自C1‑6烷基；并且m是1，并且n是3，或者m和n各自是2。11.根据权利要求6至10中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述烷基取代的硅烷具有至少约10mol％的负载量％。12.根据权利要求6至11中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述烷基取代的硅烷具有小于约40mol％的负载量％。13.根据权利要求6所述的微孔气凝胶，其进一步包括至少一种根据式3的硅酸盐的反应产物：Si(OR7)4式3其中：R7是C1‑6烷基。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述硅酸盐具有至少约20mol％的负载量％。15.根据权利要求6至14中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述硅酸盐具有小于约40mol％的负载量％。16.根据权利要求6至15中任一项所述的微孔气凝胶，其中氨基硅烷基团的含量有效地提供用于促进二氧化碳(CO2)捕获的游离胺基团，其中所述游离胺含量小于约60mol％。17.根据权利要求16所述的微孔气凝胶，其中所述氨基取代的硅烷是3
‑
氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，其具有在约40mol％和约60mol％之间的负载量％。18.根据权利要求16所述的微孔气凝胶，其中所述氨基取代的硅烷是3
‑
氨基丙基(三乙氧基)硅烷，其具有在约40mol％和约60mol％之间的负载量％。19.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶的密度在约0.02g/cm3至约0.6g/cm3之间的范围内。20.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶的密度在约0.2g/cm3至约0.6g/cm3之间的范围内。21.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶为颗粒、粉末、珠、粒、片/层、铸块、圆柱体、盘、多孔膜或整料的形式。22.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶为多个颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层、膜或片/层。23.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶为自支撑气凝胶。24.根据权利要求1至21中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶作为涂料组合物或膜被施加在基材上。25.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶具有在约0.1m2/g和约500m2/g之间的范围内的表面积。26.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶具有在约2m2/g和约200m2/g之间的范围内的表面积。27.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶具有在约0.1nm至约2nm之间的范围内的孔径。28.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中所述气凝胶包括一种或多种选自缓冲剂、粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)和纳米颗粒的添加剂。29.根据前述权利要求中任一项所述的微孔气凝胶，其中氨基硅烷基团的含量有效地提供用于促进二氧化碳(CO2)捕获的游离胺基团，其中所述游离胺含量小于约50mol％。30.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。31.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。
32.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约40mol％的原硅酸四乙酯。33.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约40mol％的原硅酸四乙酯。34.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，并且所述烷基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的三乙氧基甲基硅烷。35.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(三乙氧基)硅烷，并且所述烷基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的三乙氧基甲基硅烷。36.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3
‑
氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。37.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
‑
氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基(乙基)硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。38.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基(乙基)硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。39.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的二甲基二乙氧基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。40.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的二甲基二乙氧基硅烷的混合物，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。41.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约10mol％的二甲基二乙氧
基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约30mol％的原硅酸四乙酯。42.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约30mol％的二甲基二乙氧基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约30mol％的原硅酸四乙酯。43.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的二甲基二乙氧基硅烷的混合物，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。44.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的三乙氧基(乙基)硅烷的混合物，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。45.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3
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氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。46.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其中，所述氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3
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氨基丙基(三乙氧基)硅烷，所述烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且所述硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。47.根据权利要求1至4中任一项所述的微孔气凝胶，其包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：联邦科学技术研究组织，
类型：发明
国别省市：