Theoretical investigation of the amine structural properties on the CO2 adsorption mechanism over amine-functionalized mesoporous silica sorbents

Karbondioksitin (CO2) aminle işlevselleştirilmiş sorbentler üzerindeki tutulma mekanizmalarının ve amin yapısal özelliklerinin bu mekanizmalar üzerindeki etkilerinin açıklığa kavuşturulması, CO2 emisyonlarını etkili bir şekilde azaltacak sorbentlerin rasyonel tasarımı için vazgeçilmezdir. Bu çalışma, CO2'in çeşitli amin yapılarıyla modifiye edilmiş silika sorbanlarıyla olan etkileşimlerinin amin işlevselliğinin, yüzey amin yoğunluğunun, yüzey silanol yoğunluğunun, alkil bağlayıcı uzunluğunun ve amin yapısının (halkalı veya lineer yapı) adsorpsiyon davranışı ve mekanizması üzerindeki potansiyel etkilerini anlamak amacıyla, yoğunluk fonksiyonlu teori (DFT) modellemesi kullanarak ayrıntılı bir şekilde incelenmesini amaçlamaktadır. APTMS (3-aminopropil)trimetoksisilan), MAPS (3-(metilamino)propil-trimetoksisilan) ve PYR (pirolidin) temelli sorbentler üzerinde gerçekleştirdiğimiz hesaplamalar, CO2'in amonyum karbamat, karbamik asit ve yüzeye bağlı karbamat yapıları olarak tutulduğunu göstermiştir. Yüzeye bağlı karbamatlar oldukça kararlı olup, alkil bağlayıcı uzunluğunun kısa olduğu modeller üzerinde gözlenmiştir. CO2'in tutulumu için karmaşık hidrojen bağlarına ihtiyaç duyulduğu görülmüş olup, hidrojen bağlarının varlığı adsorpsiyon performansı üzerindeki en belirleyici faktör olarak belirlenmiştir. Yüzey amin yoğunluğu, yüzey silanol yoğunluğu, amin yapısı ve alkil zincir uzunluğu gibi parametreler, hidrojen bağı oluşumu üzerinde etkili olduklarından, bunların tutulum üzerinde belirleyici olduğu sonucuna varılmış, amin işlevselliğinin ise bu çalışmada kullanılan şartlar altında adsorpsiyon mekanizması üzerinde çok daha az belirleyici olduğu görülmüştür.