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Hydrophobic hierarchical porous carbon-zeolite composites for direct air capture and closed-loop CO2 removal applications
del Valle Perez, Gabriela C.
del Valle Perez, Gabriela C.
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Abstract
Carbon dioxide removal at trace concentrations is critical for closed-volume applications, particularly life support systems, and for sustainable carbon management strategies such as Direct Air Capture. Conventional approaches face significant limitations: amine-based absorption requires energy-intensive regeneration, while microporous zeolitic adsorbents necessitate desiccant pre-treatment stages that increase payload and space requirements—constraints particularly problematic when energy inventory, space availability, and payload are restrictive. Furthermore, conventional adsorbents often suffer from low CO₂ selectivity, poor moisture tolerance, and competitive water adsorption. To overcome these challenges through bottom-up design, this work reports hierarchical alkaline earth metal-functionalized confined-space silicoaluminophosphate composites (Ba²⁺-CSAPO-34 and Sr²⁺-CSAPO-34) for selective physical adsorption of CO₂ at ambient temperature under humid conditions. The chabazite-type SAPO-34 phase was grown in situ within the meso- and macro-pores of activated carbon (AC) via confined-space hydrothermal synthesis, with approximately 80% void occupation confirmed through comprehensive characterization including SEM/EDAX, TEM, pore size distribution profiles, and water contact angle measurements. The confined nucleation mechanism and successful incorporation of alkaline earth metal active sites within the SAPO-34 framework were also verified through equilibrium adsorption tests. Fixed-bed adsorption tests at trace CO₂ concentrations (500–2500 ppm) demonstrated strong CO₂ binding with no roll-up and effective suppression of water affinity, maintaining high selectivity even at 90% relative humidity. The composites exhibited excellent regenerability through vacuum-assisted thermal cycling with no capacity loss across multiple cycles. These findings demonstrate that a synergistic combination of hydrophobicity and enhanced physisorption interactions, achieved through a hierarchical core-shell design, creates a plausible and scalable adsorbent platform that eliminates the need for desiccant pre-treatment. This advancement enables sustainable gas separation technologies for both closed-volume life support systems and ambient Direct Air Capture applications.
La remoción de dióxido de carbono es una práctica vital en ambientes cerrados, particularmente para aplicaciones de soporte de vida, y para el manejo estratégico sostenible del carbono mediante la captura directa del aire. Las estrategias convencionales enfrentan limitaciones significativas: la absorción utilizando aminas requiere energía extensiva para el proceso de regeneración, mientras que los adsorbentes microporosos, como las zeolitas, necesitan etapas de pretratamiento con desecantes, lo cual aumenta los requerimientos de peso y espacio en estos ambientes cerrados—algo particularmente problemático cuando estos recursos son limitados. Además, los adsorbentes convencionales suelen caracterizarse por tener baja selectividad hacia CO₂, pobre tolerancia a la humedad y adsorción competitiva del vapor de agua. Para superar estos retos a través de diseños ascendentes integrales, este trabajo reporta la creación de compuestos jerárquicos de silicoaluminofosfato funcionalizados con metales alcalinotérreos mediante síntesis en espacio confinado (Ba²⁺-CSAPO-34 y Sr²⁺-CSAPO-34) para adsorción física selectiva de CO₂ a temperatura ambiente bajo condiciones húmedas. La chabazita tipo SAPO-34 fue crecida de manera in situ entre los mesoporos y macroporos de carbón activado vía procedimientos de síntesis hidrotermales en espacio confinado; aproximadamente el 80% de los espacios vacíos fueron ocupados por la zeolita, lo cual se corroboró mediante una caracterización exhaustiva que incluye técnicas como SEM/EDAX, TEM, distribución de tamaño de poro y medidas de ángulo de contacto con agua. El mecanismo de nucleación confinada y la incorporación exitosa de metales alcalinotérreos como sitios activos en la estructura de SAPO-34 fueron también verificados por medio de adsorción en equilibrio. Medidas de adsorción dinámica a concentraciones traza (500-2500 ppm) por medio de lechos de adsorbentes demostraron una fuerte interacción con la molécula de CO₂ en donde no se observó efecto de desplazamiento ("roll-up"), con supresión efectiva de la afinidad al agua, manteniendo alta selectividad hacia CO₂ en presencia de 90% de humedad relativa. Los compuestos jerárquicos mostraron tener una excelente regenerabilidad a través de tratamientos multiciclo térmicos asistidos con vacío, sin mostrar pérdida de capacidad entre ciclos de adsorción-desorción. Estos hallazgos demuestran que la combinación sinérgica de hidrofobicidad y la optimización de interacciones de fisisorción, logradas por medio del diseño jerárquico núcleo-coraza, crean una plataforma plausible y escalable que elimina la necesidad de pretratamientos con desecantes en procesos de remoción de CO₂ a concentraciones traza. Este avance permite el uso de tecnologías sostenibles para la separación de gases tanto para ambientes cerrados de soporte vital como para la captura directa de CO₂ del aire en condiciones ambientales.
La remoción de dióxido de carbono es una práctica vital en ambientes cerrados, particularmente para aplicaciones de soporte de vida, y para el manejo estratégico sostenible del carbono mediante la captura directa del aire. Las estrategias convencionales enfrentan limitaciones significativas: la absorción utilizando aminas requiere energía extensiva para el proceso de regeneración, mientras que los adsorbentes microporosos, como las zeolitas, necesitan etapas de pretratamiento con desecantes, lo cual aumenta los requerimientos de peso y espacio en estos ambientes cerrados—algo particularmente problemático cuando estos recursos son limitados. Además, los adsorbentes convencionales suelen caracterizarse por tener baja selectividad hacia CO₂, pobre tolerancia a la humedad y adsorción competitiva del vapor de agua. Para superar estos retos a través de diseños ascendentes integrales, este trabajo reporta la creación de compuestos jerárquicos de silicoaluminofosfato funcionalizados con metales alcalinotérreos mediante síntesis en espacio confinado (Ba²⁺-CSAPO-34 y Sr²⁺-CSAPO-34) para adsorción física selectiva de CO₂ a temperatura ambiente bajo condiciones húmedas. La chabazita tipo SAPO-34 fue crecida de manera in situ entre los mesoporos y macroporos de carbón activado vía procedimientos de síntesis hidrotermales en espacio confinado; aproximadamente el 80% de los espacios vacíos fueron ocupados por la zeolita, lo cual se corroboró mediante una caracterización exhaustiva que incluye técnicas como SEM/EDAX, TEM, distribución de tamaño de poro y medidas de ángulo de contacto con agua. El mecanismo de nucleación confinada y la incorporación exitosa de metales alcalinotérreos como sitios activos en la estructura de SAPO-34 fueron también verificados por medio de adsorción en equilibrio. Medidas de adsorción dinámica a concentraciones traza (500-2500 ppm) por medio de lechos de adsorbentes demostraron una fuerte interacción con la molécula de CO₂ en donde no se observó efecto de desplazamiento ("roll-up"), con supresión efectiva de la afinidad al agua, manteniendo alta selectividad hacia CO₂ en presencia de 90% de humedad relativa. Los compuestos jerárquicos mostraron tener una excelente regenerabilidad a través de tratamientos multiciclo térmicos asistidos con vacío, sin mostrar pérdida de capacidad entre ciclos de adsorción-desorción. Estos hallazgos demuestran que la combinación sinérgica de hidrofobicidad y la optimización de interacciones de fisisorción, logradas por medio del diseño jerárquico núcleo-coraza, crean una plataforma plausible y escalable que elimina la necesidad de pretratamientos con desecantes en procesos de remoción de CO₂ a concentraciones traza. Este avance permite el uso de tecnologías sostenibles para la separación de gases tanto para ambientes cerrados de soporte vital como para la captura directa de CO₂ del aire en condiciones ambientales.
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Date
2026-03-19
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Composite, Zeolite, Activated carbon, Carbon dioxide