Development of new materials for CO2 capture: Evaluation of material's morphology

Carbon dioxide (CO2) is known as one of the major greenhouse gases responsible for the ongoing global warming, causing extreme weather patterns and natural calamities that affect today's society. During the last century, the concentration of CO2 in the atmosphere has increased drastically, due to the growing fossil fuel utilization and industrial activities. There-fore, mitigating CO2 emissions and the implications they bring to the ecosystems has become an emergency. Over the last few years, carbon capture and utilization (CCU) technologies have been the focus of attention, as they represent a potential solution not just to reduce the CO2 emis-sions by capturing it directly from the industrial facilities, but also to convert the captured CO2 into other value-added products and useful substances (such as cyclic carbonates) to face the ever-growing energy supply-demand. In the field of CCU, ionic liquids (ILs), materials that present unique properties that can be adjusted by changing the combination of cation/anion pairs, have been reported to exhibit promising results. Furthermore, the development of IL-derived materials through the intro-duction of functional groups (such as amines) or the integration with solid sorbents (like pol-ymers) can address some drawbacks inherent to ILs, namely their limited CO2 uptake capacity and production costs, resulting in materials with novel properties and optimized performance for carbon capture and conversion. Based on this, the main goal of this work was to develop chitosan@IL-derived compo-sites to use in CCU applications, as chitosan is an abundant natural polymer, with ease of processability and CO2-philic groups in its structure. Hence, with the assistance of polyelec-trolyte complexation and freeze-drying methodologies, porous cryogel beads based on chi-tosan@IL-derived composites have been produced. Several experimental parameters have been modified to assess their effect on the beads' morphology, which were characterized by techniques such as BET, FTIR, NMR, and SEM. Furthermore, the CO2 sorption capacity of the beads, as well their catalytic activity in the cycloaddition reaction of CO2 to styrene oxide to produce styrene carbonate were evaluated through FTIR and 1H NMR, respectively. The re-sults show that the chitosan@IL-derivatives are promising materials for CO2 capture under environmental conditions (1 bar, 20ºC). Additionally, when used as a catalyst, it was possible to achieve a conversion of 72% and a selectivity >99% for the styrene carbonate in just 4h at a CO2 pressure of 5 bar, temperature of 80ºC, and in the presence of TBA.Br as co-catalyst.O dióxido de carbono (CO2) é um dos principais gases de efeito de estufa responsável pelo aquecimento global, provocando alterações climáticas dramáticas e desastres naturais sem precedentes que afetam a sociedade dos dias de hoje. Durante o último século, a concen-tração de CO2 na atmosfera aumentou drasticamente devido ao uso crescente de combustíveis fósseis e atividades industriais. Neste sentido, mitigar as emissões de CO2, bem como reduzir o seu impacto nos ecossistemas tornou-se uma emergência. Nos anos recentes, as tecnologias de captura e utilização de carbono (CCU) tornaram-se o foco das atenções por representarem uma solução potencial, não só para reduzir as emis-sões de CO2 através da sua captura direta da indústria, mas também para converter o CO2 capturado noutros produtos de valor acrescentado e substâncias úteis (como carbonatos cícli-cos) para enfrentar as necessidades progressivas de recursos energéticos. Dentro do campo das CCU, os líquidos iónicos (ILs), materiais que apresentam propri-edades únicas que podem ser ajustadas alterando a combinação do par catião/anião, têm vindo a demonstrar resultados promissores. Além disso, o desenvolvimento de materiais de-rivados de líquidos iónicos, através da introdução de grupos funcionais (como aminas) ou a integração com sorventes sólidos (como polímeros), permite ultrapassar algumas das barrei-ras inerentes aos ILs, nomeadamente a capacidade de captura de CO2 e os custos associados ao processo, resultando então em materiais com novas propriedades e desempenho otimizado na captura e conversão de CO2. Neste contexto, o presente trabalho teve como principal objetivo desenvolver um mate-rial compósito à base de quitosano e derivados de líquidos iónicos (chitosan@IL-derivative), para ser utilizado nos processos de CCU, uma vez que o quitosano é um polímero abundante de origem natural, com boa processabilidade e grupos CO2-fílicos na sua estrutura. Assim, recorrendo a metodologias como complexação polieletrolítica e liofilização, foram produzidas esferas porosas de criogeis, constituídos pelos compósitos de chitosan@IL-derivative. Diversos parâmetros experimentais foram variados, de modo a verificar o seu efeito na morfologia das esferas, que por sua vez foram caracterizadas por técnicas como FTIR, NMR, SEM e BET. De destacar ainda que, a capacidade de captura de CO2 das esferas e a sua atividade catalítica na reação de cicloadição de CO2 a óxido de estireno, para produzir carbonato de estireno, foram avaliadas através de FTIR e 1H NMR, respetivamente. Os resultados obtidos demonstram que as esferas de chitosan@IL-derivatives são materiais promissores para a captura de CO2 em con-dições ambientais (1 bar, 20ºC). Adicionalmente, ao serem utilizadas como catalisador permi-tiram alcançar uma conversão de 72% e seletividade >99% relativamente ao carbonato de es-tireno, em apenas 4h, a uma pressão de CO2 de 5 bar, temperatura de 80ºC e na presença de TBA.Br como co-catalisador