Understanding the Kinetics of CO2 Hydrate Formation in Dry Water for Carbon Capture and Storage: X-ray Diffraction and In Situ Raman Studies

水合物 笼状水合物 材料科学 拉曼光谱 化学工程 动力学 碳纤维 化学 有机化学 量子力学 复合数 光学 物理 工程类 复合材料
作者
Gaurav Vishwakarma,Vikas Dhamu,M. Fahed Qureshi,Gaurav Bhattacharjee,Thalappil Pradeep,Praveen Linga
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17727
摘要

Hydrate-based carbon capture and storage (HBCS) is a sustainable and promising approach to combating global warming by utilizing water, which is a ubiquitous resource. Here, we report a comprehensive study of CO2 hydrate formation in dry water (DW), a water-in-air dispersion confined in silica particles, for improving the kinetics of hydrate growth. Utilizing a combination of a home-built high-pressure reactor, in situ Raman spectroscopy, and powder X-ray diffraction (PXRD), we elucidate the crystal structure, growth dynamics, and morphology of CO2 hydrates formed in DW, with and without the kinetic hydrate promoter, l-tryptophan. Our analysis reveals that CO2 forms structure I (sI) hydrate in DW, with hydrate growth occurring both on and beneath the silica shell. This results in a substantial increase in CO2 uptake─approximately 2.8 times higher than that observed in pure water (∼134 v/v compared to ∼48 v/v). Moreover, incorporation of l-tryptophan in DW formation markedly accelerates the DW-CO2 hydrate formation process, reducing both the induction time and the time required to achieve 90% gas uptake at 274.65 K. These findings offer crucial insights into the formation of CO2 hydrate in DW, highlighting its potential to improve the efficiency and scalability of HBCS technologies.

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