Development of polymeric ionic liquid-based materials for CO2 capture and conversion: The ionic liquid tour through the periodic table

Abstract

The imperative of addressing CO2 capture and utilization arises from the pressing concerns surrounding global climate change. Existing commercial technologies for CO2 capture, either require substantial energy consumption or suffer performance degradation in the presence of impurities. Consequently, mitigating greenhouse gas emissions poses persistent challenges that call for advancements in materials and technologies. This study focused on developing highly regenerable materials tailored for CO2 capture and subsequent conversion into higher-value products, such as cyclic carbonates. The effectiveness of CO2 capture and utilization in ionic liquids (ILs) and poly(ILs) (PILs) depends on multiple factors including ion pair nature, anion basicity, buffering capacity, and hydrogen bond-forming sites, with no single property emerging as the most crucial due to their synergistic interplay, which illustrates the complexity of these materials. Herein, novel porous materials based on PILs-chitosan aerogels (AEROPILs) were successfully obtained, boasting high porosity and surface areas. PILs were incorporated into the aerogel matrix through a simple and straightforward procedure, advancing the aerogel formulation methodology. Generally, the inclusion of PILs in chitosan aerogels augmented the CO2 sorption capability of these materials, with the highest CO2 capture capacity observed for the pyrrolidinium-based AEROPIL (C:P230%) with 0.70 mmol g−1, at 25 °C and 1 bar. After evaluating CO2 capture capacity, AEROPILs were optimized as metal-free heterogeneous catalysts for CO2 conversion. In batch reactions, catalysts such as pyrrolidinium-based cross-linked AEROPIL (C:E:M1:P280%) and ammonium-based cross-linked AEROPIL (C:G:P430%) exhibited superior CO2 conversion capacities and high selectivity. Transitioning AEROPILs to continuous flow systems was explored as a pivotal step toward process scalability. Optimal reaction conditions were identified as a temperature of 120 °C, a liquid flow rate of 0.05 mL min-1, and a CO2 flow rate of 0.15 mL min-1. The most efficient catalyst, C:E:M1:P280%, demonstrated a noteworthy productivity of 21.18 gprod h-1 L-1 and maintained stability over 60 hours. Notably, the catalyst preserved its morphology and porosity, underscoring the feasibility of industrial-scale implementation of this process.

O imperativo de abordar a captura e utilização de CO2 decorre das preocupações prementes em torno das alterações climáticas globais. As tecnologias comerciais existentes para a captura de CO2 requerem um consumo substancial de energia ou sofrem uma degradação do desempenho na presença de impurezas. Consequentemente, a mitigação das emissões de gases com efeito de estufa coloca desafios persistentes que exigem avanços em materiais e tecnologias. Este estudo centrou-se no desenvolvimento de materiais altamente regeneráveis, concebidos para a captura de CO2 e subsequente conversão em produtos de valor acrescentado, como os carbonatos cíclicos. A eficácia da captura e utilização de CO2 em líquidos iónicos (LIs) e poli(LIs) (PLIs) depende de múltiplos fatores, incluindo a natureza do par iónico, a basicidade do anião, a capacidade de tamponamento e os locais de formação de ligações de hidrogénio, sem que uma única propriedade surja como a mais crucial devido à sua interação sinérgica, o que ilustra a complexidade destes materiais. Neste contexto, foram obtidos com sucesso novos materiais porosos baseados em aerogéis de PLIs-quitosano (AEROPILs), com elevada porosidade e áreas superficiais. Os PLIs foram incorporados na matriz do aerogel através de um procedimento simples e direto, avançando a metodologia de formulação de aerogéis. De um modo geral, a inclusão de PLIs em aerogéis de quitosano aumentou a capacidade de sorção de CO2 destes materiais, com a maior capacidade de captura de CO2 observada para o AEROPIL à base de pirrolidínio (C:P230%) com 0,70 mmol g−1, a 25 °C e 1 bar. Após a avaliação da capacidade de captura de CO2, os AEROPILs foram otimizados como catalisadores heterogéneos para a conversão de CO2 na ausência de metais. Em reações em batch, catalisadores como o AEROPIL reticulado à base de pirrolidínio (C:E:M1:P280%) e o AEROPIL reticulado à base de amónio (C:G:P430%) exibiram capacidades superiores de conversão de CO2 e uma elevada seletividade. A transição de AEROPILs para sistemas de fluxo contínuo foi explorada como um passo fundamental para a escalabilidade do processo. As condições ideais de reação foram identificadas como uma temperatura de 120 °C, um caudal de líquido de 0,05 mL min-1 e um caudal de CO2 de 0,15 mL min-1. O catalisador mais eficiente, C:E:M1:P280%, demonstrou uma produtividade de 21,18 gprod h-1 L-1 e manteve a estabilidade durante 60 horas. O catalisador preservou a sua morfologia e porosidade, sublinhando a viabilidade da implementação deste processo à escala industrial.