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Development of new materials for CO2 capture: Evaluation of material's morphology
Publication . Santos, Duarte Nuno Botelho dos; Corvo, Marta; Zanatta, Marcileia
Carbon dioxide (CO2) is known as one of the major greenhouse gases responsible for the ongoing global warming, causing extreme weather patterns and natural calamities that affect today's society. During the last century, the concentration of CO2 in the atmosphere has increased drastically, due to the growing fossil fuel utilization and industrial activities. There-fore, mitigating CO2 emissions and the implications they bring to the ecosystems has become an emergency.
Over the last few years, carbon capture and utilization (CCU) technologies have been the focus of attention, as they represent a potential solution not just to reduce the CO2 emis-sions by capturing it directly from the industrial facilities, but also to convert the captured CO2 into other value-added products and useful substances (such as cyclic carbonates) to face the ever-growing energy supply-demand.
In the field of CCU, ionic liquids (ILs), materials that present unique properties that can be adjusted by changing the combination of cation/anion pairs, have been reported to exhibit promising results. Furthermore, the development of IL-derived materials through the intro-duction of functional groups (such as amines) or the integration with solid sorbents (like pol-ymers) can address some drawbacks inherent to ILs, namely their limited CO2 uptake capacity and production costs, resulting in materials with novel properties and optimized performance for carbon capture and conversion.
Based on this, the main goal of this work was to develop chitosan@IL-derived compo-sites to use in CCU applications, as chitosan is an abundant natural polymer, with ease of processability and CO2-philic groups in its structure. Hence, with the assistance of polyelec-trolyte complexation and freeze-drying methodologies, porous cryogel beads based on chi-tosan@IL-derived composites have been produced. Several experimental parameters have been modified to assess their effect on the beads' morphology, which were characterized by techniques such as BET, FTIR, NMR, and SEM. Furthermore, the CO2 sorption capacity of the beads, as well their catalytic activity in the cycloaddition reaction of CO2 to styrene oxide to produce styrene carbonate were evaluated through FTIR and 1H NMR, respectively. The re-sults show that the chitosan@IL-derivatives are promising materials for CO2 capture under environmental conditions (1 bar, 20ºC). Additionally, when used as a catalyst, it was possible to achieve a conversion of 72% and a selectivity >99% for the styrene carbonate in just 4h at a CO2 pressure of 5 bar, temperature of 80ºC, and in the presence of TBA.Br as co-catalyst.
From biopolymer dissolution to CO2 capture under atmospheric pressure
Publication . Lopes, Mónica; Cecílio, André; Zanatta, Marcileia; Corvo, Marta C.; CENIMAT-i3N - Centro de Investigação de Materiais (Lab. Associado I3N); DCM - Departamento de Ciência dos Materiais; Elsevier
Finding a cheap and easily recycling material that can capture CO2 under atmospheric pressure (1 atm) is of paramount importance. In this context, combining ionic liquids (ILs) with abundant and natural materials, such as chitin-based biopolymers, appears as an interesting alternative. In this work, four acetate-based ILs were selected to explore the solubility of chitin, chitosan, and carboxymethyl-chitosan. Using carboxymethyl-chitosan and biopolymer monomer units as models, different Nuclear Magnetic Resonance (NMR) techniques, namely, 1H, 13C, nuclear Overhauser effect spectroscopy, and spin-lattice relaxation, were performed to evaluate the dissolution. Shrimp shells were used as a chitin source. Through a simple acid/base treatment, it was possible to remove minerals and proteins, and use it to prepare biopolymer@IL materials for CO2 capture tests. Efficient CO2 sorption capacity was observed upon bubbling CO2 with a maximum of 2.32 mmolCO2/gsorbent. Under N2 bubbling, the system demonstrated excellent recycling capacity using a room temperature procedure that outperformed aqueous amine solutions recycling. The absence of heating and vacuum recycling procedures, combined with the use of N2 or compressed air is much more appealing for industrial applications.
Rheology in Product Development
Publication . Barrulas, Raquel V.; Corvo, Marta C.; DCM - Departamento de Ciência dos Materiais; CENIMAT-i3N - Centro de Investigação de Materiais (Lab. Associado I3N); MDPI - Multidisciplinary Digital Publishing Institute
Rheological characterisation plays a crucial role in developing and optimising advanced materials in the form of hydrogels and aerogels, especially if 3D printing technologies are involved. Applications ranging from tissue engineering to environmental remediation require the fine-tuning of such properties. Nonetheless, their complex rheological behaviour presents unique challenges in additive manufacturing. This review outlines the vital rheological parameters that influence the printability of hydrogel and aerogel inks, emphasising the importance of viscosity, yield stress, and viscoelasticity. Furthermore, the article discusses the latest developments in rheological modifiers and printing techniques that enable precise control over material deposition and resolution in 3D printing. By understanding and manipulating the rheological properties of these materials, researchers can explore new possibilities for applications such as biomedicine or nanotechnology. An optimal 3D printing ink requires strong shear-thinning behaviour for smooth extrusion, forming continuous filaments. Favourable thixotropic properties aid viscosity recovery post-printing, and adequate yield stress and G′ are crucial for structural integrity, preventing deformation or collapse in printed objects, and ensuring high-fidelity preservation of shapes. This insight into rheology provides tools for the future of material design and manufacturing in the rapidly evolving field of 3D printing of hydrogels and aerogels.
Development of New Materials for CO2 Conversion: Effect of Carbonization
Publication . Ribeiro, Mónica Avelãs Stanton Arau; Corvo, Marta; Zanatta, Marcileia
O aumento das emissões de dióxido de carbono (CO2) é um facto alarmante que requer respostas urgentes da comunidade científica e das grandes empresas. Uma das soluções estudadas é a conversão de CO2 em carbonatos cíclicos. Para esta reação ocorrer sem condições agressivas, é necessário introduzir catalisadores produzidos, por exemplo, pela carbonização de resíduos à base de biomassa para a obtenção de carvões porosos. Enquanto algumas grandes empresas têm dificuldades em atuar perante estes problemas climatéricos, The Navigator Company, uma empresa líder na produção de papel, colaborou com este trabalho ao longo de seis meses na implementação dos seus resíduos para produzir catalisadores.
Especificamente, lama primária, lama biológica e nós incozidos, cedidos pela The Navigator Company, foram comparados com quitosano comercial quanto à sua capacidade de serem precursores de carvões porosos. Também foram utilizados seis diferentes líquidos iónicos (LIs) como precursores devido às suas propriedades únicas. Os materiais de partida foram inicialmente carbonizados hidrotermicamente num reator Parr, seguindo uma carbonização com fluxo de azoto num forno tubular de alumina. As reações entre CO2 e óxido de estireno, utilizando os carvões sintetizados como catalisadores, foram realizadas num reator Parr.
De modo a determinar o efeito dos LIs no rendimento da conversão e da carbonização, na percentagem de azoto, no grau de grafitização e na porosidade, os carvões foram caraterizados por análise elementar, Microscopia Eletrónica de Varrimento, isotérmicas de adsorção/deadsorção de azoto e por espetroscopia de Raman. O rendimento da conversão foi analisado por RMN 1H, de modo a determinar a eficiência catalítica dos carvões.
Os resultados obtidos nesta dissertação confirmam não só a possibilidade de produção de catalisadores carbonosos a partir de resíduos à base de biomassa, com um rendimento de conversão máximo de 81% e seletividade >99%, mas também demonstram que a escolha do LI afeta diretamente o rendimento da conversão.
Design of Chitin/Chitosan based material for CO2 capture
Publication . Cecílio, André Silva; Zanatta, Marcileia; Corvo, Marta
A procura por soluções de combate à poluição tem sido cada vez maior. Seja a nível marí-timo, terrestre ou atmosférico, a poluição tem vindo a desempenhar um papel negativo na vida dos seres vivos. O avanço tecnológico e científico permite-nos explorar caminhos nunca imagi-náveis, mas além dos inúmeros benefícios também nos traz problemas ambientais, como o cres-cimento das emissões de CO2 e o consequente aumento da temperatura terrestre.
Apesar de serem utilizadas algumas medidas que têm a intenção de reduzir a quantidade de CO2 emitida pelas unidades fabris, como é o caso das soluções aquosas de aminas, estas não são sustentáveis a nível energético e ambiental, devido a formação de produtos corrosivos e difi-culdade na regeneração do material. Neste sentido, esta dissertação tem como objectivo a busca de uma solução para um dos maiores problemas actuais: o aumento da quantidade de CO2 na atmosfera. Como tal, o uso de materiais baseados em líquidos iónicos (LIs) é uma maneira de reduzir o custo ambiental, devido sua estabilidade e capacidade de reuso, e o uso de biopolímeros, tal como a quitina, possibilita a redução do custo económico.
Neste trabalho a dissolução dos biopolímeros, nomeadamente quitina e quitosano, em lí-quidos iónicos foi realizada para a criação de um material capaz de capturar CO2 em condições temperatura e pressão ambiente (1 atm, 25ºC). O uso da técnica de RMN de 13C permitiu avaliar a capacidade quantitativa de captura. Outras técnicas como MOLP, TGA, FTIR foram utilizadas na caracterização do material.
Diferentes estruturas de catiões e aniões foram testadas obtendo-se resultados significativos foram obtidos no caso dos materiais desenvolvidos com acetado de colina, onde se obteve uma capacidade máxima de 0,41 mol CO2 /mol LI. Além disso, cálculos de viabilidade económica foram realizados a fim de avaliar a possibilidade da substituição das aminas a nível industrial por materiais baseados em líquidos iónicos e biopolímeros, possibilitando assim um avanço tecnoló-gico no controle do aquecimento global.
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Fundação para a Ciência e a Tecnologia
Programa de financiamento
9471 - RIDTI
Número da atribuição
PTDC/QUI-QFI/31508/2017