Sie können Kohlendioxidfilter mit einem 3D-Modell herstellen

North Carolina State University

In einer neuen Studie haben Forscher der North Carolina State University gezeigt, dass es möglich ist, Filter zur Kohlendioxidabscheidung mithilfe des 3D-Drucks herzustellen. Konkret druckten sie ein Hydrogelmaterial, das Carboanhydrase aufnehmen kann, ein Enzym, das eine Reaktion beschleunigt, die Kohlendioxid und Wasser in Bicarbonat umwandelt.

Die in der Fachzeitschrift Gels veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, dass der 3D-Druck eine schnellere und vielseitigere Methode zur Herstellung von Filterdesigns sein könnte.

„Dieser Herstellungsprozess mit 3D-Druck macht alles schneller und präziser“, sagte der Hauptautor der Studie, Jialong Shen, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „Wenn Sie Zugang zu einem Drucker und den Rohstoffen haben, können Sie dieses funktionelle Material herstellen.“

In der Studie mischten Forscher des NC State Wilson College of Textiles eine Lösung, die zwei verschiedene organische Verbindungen – oder die Drucktinte – und ein Enzym namens Carboanhydrase enthielt. Anschließend druckten die Forscher fadenförmige Filamente des Hydrogels zu einem zweidimensionalen Gitter, während sie die Lösung beim Drucken mit UV-Licht verfestigten.

„Wir haben das Hydrogel so formuliert, dass es mechanisch stark genug ist, um in 3D gedruckt und auch zu einem Endlosfilament extrudiert zu werden“, sagte Shen. „Die Inspiration für unser Design waren unsere eigenen Zellen, deren Enzyme in unterteilten, mit einer Flüssigkeit gefüllten Räumen verpackt sind. Eine solche Umgebung ist gut, um Enzyme bei ihrer Arbeit zu unterstützen.“

Die Forscher testeten die Eigenschaften des Materials, um zu verstehen, wie gut es sich biegen und verdrehen würde, und untersuchten die Kohlenstoffabscheidungsleistung des Filters. In einem kleinen Experiment fanden sie heraus, dass der Filter 24 % des Kohlendioxids in einem Gasgemisch auffing. Obwohl die Erfassungsrate niedriger ist als bei früheren Designs, hatte der Filter einen Durchmesser von weniger als zwei Zentimetern und konnte größer und in verschiedenen modularen Formen hergestellt werden, um sie in einer hohen Säule zu stapeln . Das könnte die Fangeffizienz steigern, sagten Forscher.

„Um eine höhere Erfassungsrate zu erreichen, müssten wir den Durchmesser des Filters vergrößern oder mehr Filter übereinander stapeln“, sagte Shen. „Wir glauben nicht, dass das ein Problem darstellt. Dies war ein erster Test in kleinem Maßstab, um das Testen zu vereinfachen.“

Die Forscher testeten auch die Filtrationsbeständigkeit des Materials und stellten fest, dass es nach mehr als 1.000 Stunden noch 52 % seiner ursprünglichen Kohlenstoffabscheidungsleistung beibehielt.

„Diese Arbeit befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es neue Möglichkeiten gibt, Materialien für Geräte zur Kohlenstoffabscheidung herzustellen“, sagte die Mitautorin der Studie, Sonja Salmon, außerordentliche Professorin für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „Wir bieten Hoffnung für die CO2-Abscheidung.“

Die Studie „Carbonic Anhydrase Enhanced UV-Crosslinked PEG-DA/PEO Extruded Hydrogel Flexible Filaments and Durable Grids for CO₂ Capture“ wurde online in Gels veröffentlicht. Zu den Co-Autoren gehörten Sen Zhang und Xiaomeng Fang. Die Finanzierung erfolgte durch die North Carolina State University, die Novo Nordisk Foundation und die Alliance for Sustainable Energy, LLC, Verwaltungs- und Betriebsunternehmer des National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums.

-oleniacz-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

Carboanhydrase-verstärktes, UV-vernetztes, extrudiertes PEG-DA/PEO-Hydrogel, flexible Filamente und langlebige Gitter zur CO₂-Abscheidung

Autoren: Jialong Shen, Sen Zhang, Xiaomeng Fang und Sonja Salmon

Veröffentlicht: 16. April 2023, Gele

DOI:10.3390/gels9040341

Abstrakt: In dieser Studie wurden sich gegenseitig durchdringende Polymernetzwerkhydrogele (IPNH) aus Poly(ethylenglykol)diacrylat/Poly(ethylenoxid) (PEG-DA/PEO) zu 1D-Filamenten und 2D-Gittern extrudiert. Die Eignung dieses Systems für die Enzymimmobilisierung und CO2-Abscheidung wurde validiert. Die chemische Zusammensetzung von IPNH wurde spektroskopisch mittels FTIR überprüft. Das extrudierte Filament hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 6,5 MPa und eine Bruchdehnung von 80 %. IPNH-Filament kann gedreht und gebogen werden und eignet sich daher für die Weiterverarbeitung mit herkömmlichen Textilherstellungsmethoden. Die anfängliche Aktivitätswiederherstellung der eingeschlossenen Carboanhydrase (CA), berechnet aus der Esteraseaktivität, zeigte eine Abnahme mit zunehmender Enzymdosis, während die Aktivitätserhaltung von Proben mit hoher Enzymdosis nach 150 Tagen wiederholten Waschens und Testens über 87 % betrug. IPNH-2D-Gitter, die zu spiralförmig strukturierten Packungen zusammengesetzt wurden, zeigten mit zunehmender Enzymdosis eine erhöhte Effizienz der CO2-Abscheidung. Die langfristige CO2-Einfangleistung der CA-immobilisierten IPNH-Strukturpackung wurde in einem kontinuierlichen Lösungsmittelrezirkulationsexperiment über 1032 Stunden getestet, wobei 52 % der anfänglichen CO2-Einfangleistung und 34 % des Enzymbeitrags erhalten blieben. Diese Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der schnellen UV-Vernetzung zur Bildung enzymimmobilisierter Hydrogele durch einen geometrisch kontrollierbaren Extrusionsprozess, der analoge lineare Polymere sowohl zur Viskositätserhöhung als auch zur Kettenverschränkung verwendet und eine hohe Aktivitätserhaltung und Leistungsstabilität der immobilisierten CA erreicht . Mögliche Anwendungen für dieses System erstrecken sich auf 3D-Drucktinten und Enzymimmobilisierungsmatrizen für so unterschiedliche Anwendungen wie biokatalytische Reaktoren und die Herstellung von Biosensoren.

Gele

10.3390/gels9040341

Carboanhydrase-verstärktes UV-vernetztes PEG-DA/PEO-extrudiertes Hydrogel, flexible Filamente und langlebige Gitter zur CO₂-Abscheidung

16.04.2023

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