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Heteroatom-doped porous carbon microspheres with ultramicropores for efficient CH4/N2 separation with ultra-high CH4 uptake

甲烷 碳化 材料科学 化学工程 杂原子 碳纤维 吸附 分离过程 多孔性 选择性 化学 复合材料 有机化学 催化作用 扫描电子显微镜 工程类 复合数 戒指(化学)
作者
Shaomin Wang,Pengchao Wu,Jianwei Fu,Qing‐Yuan Yang
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:274: 119121-119121 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2021.119121
摘要

The separation of methane from the mixture of methane/nitrogen is an imperative and challenging process, which mitigates global warming and fully utilizes coalmine methane. Herein, a range of porous carbon microspheres (PCMs) were prepared through carbonization of a polymer named poly(cyclophosphazene-co-4,4′-sulfonyldiphenol (PZS) at different temperatures. The pore size distribution for the PCMs ranged from 0.3 to 0.6 nm. Among them, PZS-900 (the carbonization temperature is 900 °C) exhibits excellent CH4 capture performance with a CH4 uptake of 42.22 cm g−1 at 298 K and 100 kPa, which exceeds all the porous carbon materials. Importantly, PZS-900 also displays high CH4/N2 selectivity (4.64) because of low N2 uptake (14.88 cm g−1). Such CH4/N2 separation performance was further confirmed by dynamic breakthrough experiments. The mechanism for selective CH4/N2 separation was clarified through Raman spectroscopy and contact angle experiments. The difference in the adsorption of CH4 and N2 may be due to influence of polarizability in the carbon material resulting in different van der Waals force interactions. Also, the hydrophilicity of carbon materials contributed to the improved performance of CH4/N2 separation. Overall, this research demonstrates that the serials of PCMs have a significant potential for the efficient capture of methane from coal bed gas in practice.
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