Aerogéis de carbono com área superficial muito elevada e funcionalidade superficial amínica para captura de dióxido de carbono

Abstract

Nesta tese de doutoramento apresentam-se os estudos de preparação, caracterização e funcionalização amínica em aerogéis de carbono para posterior aplicação em ensaios de adsorção/desadsorção de CO2 a diferentes temperaturas. Inicialmente, descreve-se a produção de aerogéis orgânicos e de carbono, sob a forma livre de metal (DHBAF/H, DHBARF/H e RF/H) e dopados com metal (DHBAF/Fe, DHBAF/Ni, DHBARF/Fe, DHBARF/Ni, RF/Fe e RF/Ni) com diferentes percentagens de sólidos. Numa outra linha foi sintetizado um novo tipo de aerogel, pela introdução de isocianato (homopolímero de diisocianato de 1,6-hexametileno). Desta síntese resultou um aerogel de carbono macroporoso, RIF. As propriedades estruturais dos aerogéis orgânicos e de carbono foram determinados por adsorção de nitrogénio a 77K e posterior tratamento pelos métodos de BET, DR, S, BJH e DFT. Uma selecção de aerogéis de carbono de forma livre de metal (DHBAF/H4, RF/H4 e RIF) foi funcionalizada com amina primária (AMPD), aminas com funcionalidade primária e secundária (PEHA, TEPA, TPTA, TETA e DETA), amina com funcionalidade primária, secundária e terciária (PEI) e amina terciária (DABCO). A funcionalização e o aumento da temperatura nos aerogéis de carbono mostraram um decréscimo da capacidade máxima de adsorção do CO2. A avaliação cinética nos aerogéis de carbono não funcionalizados e funcionalizados foi determinada com base no modelo cinético de pseudo-primeira ordem de Lagergren. O cálculo da energia de activação foi efectuado por aplicação da equação de Arrhenius. Observou-se que o processo de difusão das moléculas de CO2 nos aerogéis de carbono não pode ser interpretado exclusivamente no apoio do volume poroso, porque também a largura da microporosidade parece exercer uma forte influência. Observou-se também que o processo de funcionalização em aerogéis de carbono do tipo DHBAF/H4 e com a amina PEI evidencia um comportamento cinético superior; Abstract: Very High Surface Area Carbon Aerogels with Amine Surface Functionality for the Capture of Carbon Dioxide This doctoral thesis presents the studies of preparation, characterisation and immobilisation of amines on carbon aerogels for subsequent application in adsorption/desorption of CO2 at different temperatures. Initially, we describe the production of organic and carbon aerogels, in the metal free form (DHBAF/H, DHBARF/H and RF/H), and metal doped (DHBAF/Fe, DHBAF/Ni, DHBARF/Fe, DHBARF/Ni, RF/Fe and RF/Ni) with different percentages of solids. In addition, it was also possible to synthesise a new type of more robust aerogel by the introduction of isocyanate (homopolymer of 1, 6-hexamethylene diisocyanate). This resulted in a synthetic macroporous carbon aerogel, RIF. The structural properties of the organic and carbon aerogels were determined by nitrogen adsorption at 77K and subsequent treatment by the BET, DR, S, BJH and DFT methods. A selection of metal free carbon aerogels (DHBAF/H4, RF/H4 and RIF) were functionalised with different type of amines: primary amine (DMPA), primary and secondary amines (PEHA, TEPA, TPTA, TETA and DETA), primary, secondary and tertiary amine (PEI) and tertiary amine (DABCO). Functionalisation and an increase in the temperature of analysis of the carbon aerogels showed a decrease of the maximum CO2 adsorption capacity. A kinetic evaluation of CO2 adsorption by samples of functionalised and non-functionalised carbon aerogels was determined based on the Lagergren pseudo-first order kinetic model. The activation energy was calculated from the Arrhenius equation. The kinetic evaluation showed that the diffusion process of CO2 molecules in carbon aerogels cannot be interpreted exclusively on pore volume, as the micropore width also seems to have a strong influence on the diffusion kinetics in these materials. In view of the results obtained, the process of immobilisation of amines in carbon aerogels type DHBAF/H4 and with PEI amine resulted in samples with a more promising kinetic behaviour.