Responsive Menu
Add more content here...

Scope of the project

Cílem projektu METAMORPH je dodávat nové materiály pro zachycování a skladování uhlíku (CCS) a zachycování a využití uhlíku (CCU). Aktuálně dostupná řešení CCU jsou velmi omezená kvůli jejich neefektivnosti vyplývající z omezených interakcí CO2 a fotokatalyzátoru. Klíčovou inovací projektu je vývoj efektivnějšího procesu CCU kombinací sorpčních materiálů CO2 s pokročilými fotochemickými katalyzátory v jednotlivých nanovlákenných membránách s extrémně vysokým poměrem povrchu k objemu. Nanovlákenné membrány vyvinuté v InoCure a UJEP budou kombinovány s jedinečnými sorpčními materiály CO2 na bázi PANi vyvinutými na UCT a fotokatalytickými nanočásticemi na bázi TiO2 vyvinutými na SINTEF (viz obrázek 1). Membrány pak budou formovány do rychle nasaditelných fotoreaktorů, které budou testovány v simulovaném průmyslovém prostředí. Návrh kombinuje odborné znalosti skupin pracujících na: organické chemii týkající se sorpce a fotoreakcí CO2, vysokovýkonného elektrostatického zvlákňování, nanočástic (NP) a fotochemických reaktorů. Aktivity projektu budou zahrnovat výzkum a vývoj, rozšiřování a pilotní výrobu.

Figure 1: Concept of the METAMORPH project: development of advanced hybrid materials for carbon capture and storage (CCS) and utilization (CCU).

Objectives of project

Projekt řeší jednu z výzev 21. století – zachycování CO2 (CCS) a přeměnu CO2 na organické molekuly (CCU). CO2 je hlavním skleníkovým plynem a snížení jeho koncentrace v atmosféře je nezbytné pro přežití a udržitelný život lidí na Zemi. Přímé emise CO2 z průmyslových procesů a zařízení tvoří více než 22% všech globálních emisí CO2. Projekt METAMORPH se zaměří na tuto antropogenní produkci CO2. Navrhujeme systém pro přímou fotokatalytickou přeměnu CO2 a H2O na paliva a / nebo chemikálie v průmyslovém areálu, než se dostane do atmosféry. Vyrobené uhlohydráty (ethanol / methanol) mohou být poté znovu použity na místě nebo přepraveny jinam pro použití v palivovém a jiném chemickém průmyslu.

Současné snahy o snížení koncentrace CO2 v atmosféře se zaměřují na zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Očekává se, že CCS zvládne přibližně 13 Mt CO2 / rok a vzhledem k ročním emisím řádově 30 Gt CO2 / rok není dostatečné řešení k dosažení uhlíkové neutrality. Kromě toho musí být po tisíce let zajištěna bezpečnost úložišť, což vyžaduje technologické a ekonomické investice. Jako alternativu lze použít přístup CCU, který využívá zachycenou konverzi CO2 na chemikálie / paliva. Analýza evropské platformy s nulovými emisemi (ZEP) však naznačuje, že CCU může řešit pouze malou část emisí, přičemž hlavní technologickou bariérou je účinnost materiálů CCU (uhlíková stopa samotných materiálů CCU může být vyšší než snížení CO2) a ekonomická ( náklady na syntetizované produkty jsou několikanásobně vyšší). METAMORPH bude kombinovat nejmodernější materiály k dalšímu zlepšení kapacity CCS a dosažení komerčně životaschopného řešení CCU.

V první fázi projektu bude vyvinut materiál CCS s vynikající sorpční schopností. Sorpční reaktor bude založen na materiálu karbonizovaného polyanilinu (PANi) v různých morfologiích: nanovlákna, sypký materiál, mikročástice. Tyto materiály byly vyvinuty UCT a prokázaly sorpční schopnost CO2 řádově 9,14 mmol / g, což je nejvyšší dosažená kapacita pro materiály na bázi uhlíku. Poté budou tyto materiály CCS kombinovány s fotokatalyzátory pro konverzi CO2 na uhlohydráty, které lze znovu použít jako průmyslovou surovinu. Klíčovým omezením v současné době dostupných materiálů pro zachycování a využití uhlíku (CCU) je jejich nízká účinnost v reálných průmyslových podmínkách. To je způsobeno hlavně nízkou koncentrací CO2, která se dostává do aktivních míst fotoreaktoru. Během projektu METAMORPH budou materiály absorbující CO2 (zejména polyanilinové nanočástice) kombinovány s fotokatalytickými systémy. To tento problém překoná lokálním zvýšením koncentrace CO2 a jeho dostupnosti pro fotokatalýzu. Nakonec bude kombinace těchto hybridních absorbujících / katalytických nanočástic kombinována s nanovlákennými membránami, aby se dále zvětšila povrchová plocha dostupná pro adsorpci a poskytla mechanickou podporu. Použití nanovlákenných membrán také zvýší zpracovatelnost systémů CCU a schopnost začlenit je do nasazitelných fotokatalyzátorů. Během projektu bude vyvinut nový reaktor pro pilotní zachycování CO2 a fotokatalytickou konverzi na organické molekuly a vysoce hodnotné produkty. Projekt přinese dopad na životní prostředí snížením emisí CO2 (CCS a CCU) a ekonomický dopad výroby užitečných organických molekul (CCU). Možnosti CCS a CCU, které METAMORPH povolí, jsou shrnuty na obrázku 2.

Figure 2: Carbon Capture and Utilization Options that will be enabled by METAMORPH membranes.

Specific Objectives

  • Development of novel form of carbonized PANi for CO2 sorption (CCS) and comparison with bulk and microparticle forms.
  • Development of hybrid carbonized PANi/photocatalytic nanoparticles for CO2 capture and utilization (CCU) with external quantum efficiency of 5%, high turnover numbers (TONs) and stability.
  • Combination of novel carbonized PANi/photocatalytic with nanofibers and their comparison with bulk/microparticle form of active materials.
  • Integration of carbonized PANi and/or photocatalysts with nanofibers using electrospinning technologies (>40% loading), sonocoating (>90% coverage) and spray coating (>80% coverage). The polymeric component will be selected to meet balance between functionalization by photocatalyst, high-throughput production, mechanical stability and low price (under 1 EUR/m2 for polymer without catalyst).
  • Up-scaling of electrospinning process using needleless electrospinning (production of 10 m2/h in device with less and membrane production cost of max. 20 EUR/m2).
  • Development and validation of CO2 capture reactors and CCS utilization scheme.
  • Development and validation of photochemical reactors for CO2 capture from air for continuous methanol production (>500 operation and less than 5% loss for 500 h).
  • Development and validation of photochemical reactors adapted for CO2 capture from industrial processes (>500 operations and less than 5% loss for 500 h).
  • Improved efficiency of overall system with sunlight-to-energy conversion over 10%.

The metaMORPH project benefits from a €2.26 mil. grant from Norway and the Technology Agency of the Czech Republic. The project is carried out under the KAPPA funding program for applied research, experimental development, and innovation, managed by the Technology Agency of the Czech Republic.