Regenerable CO2 sorbents based on potassium carbonate and carbon nanotubes

The development of efficient CO2 capture methods is crucial both for solving the problem of decarbonization and for maintaining the air composition in closed life support systems. Regenerable K2CO3-based sorbents provide reversible CO2 sorption. However, their efficient operation requires the use of porous carriers that ensure the dispersion of the active component and increase the sorption rate. Carbon nanotubes (CNTs) are a promising carrier due to their high specific surface area, chemical and thermal stability. This work synthesizes regenerable K2CO3/CNT sorbents and investigates their sorption properties under conditions simulating CO2 removal in life support and decarbonization systems. A maximum sorption capacity of 15 wt. % for CO2 was achieved with a sorbent containing 71 wt. % K2CO2. The obtained regenerable materials have stable sorption capacity over multiple sorption-regeneration cycles, which opens up prospects for their practical application.

1. Zheng J., Chen X., Ma J., Liang C. // Sep. Purif. Technol. 2025. V. 363. P. 132099.

2. Garcia J.A., Villen-Guzman M., Rodriguez-Maroto J.M., Paz-Garcia J.M. // J. Environ. Chem. Eng. 2022. V. 10. № 5. P. 108470.

3. Filonchyk M., Peterson M.P., Zhang L., Hurynovich V., He Y. // Sci. Total Environ. 2024. V. 935. P. 173359.

4. . URL: https://www.ipcc.ch/ (accessed: 20.08.2020).

5. Zhao Y., Dong Y., Guo Y., Huo F., Yan F., He H. // Chinese J. Chem. Eng. 2021. V. 31. P. 113–125.

6. Pleil J.D., Ariel Geer Wallace M., Davis M.D., Matty C.M. // J. Breath Res. 2021. V. 15. № 4. P. 10.1088/1752-7163/ac2589.

7. Satish U., Mendell M.J., Shekhar K., Hotchi T., Sullivan D., Streufert S., Fisk W.J. // Environ. Health Perspect. 2012. V. 120. № 12. P. 1671.

8. Langford N.J. // Toxicol. Rev. 2005. V. 24. № 4. P. 229–235.

9. Wells J.D., Belancik G.A. // Chem Bio Eng. 2025. .

10. Pasichnyk M., Stanovsky P., Polezhaev P., Zach B., Šyc M., Bobák M., Jansen J.C., Přibyl M., Bara J.E., Friess K., Havlica J., Gin D.L., Noble R.D., Izák P. // Sep. Purif. Technol. 2023. V. 323. P. 124436.

11. Kim S., Scholes C.A., Heath D.E., Kentish S.E. // Chem. Eng. J. 2021. V. 411. P. 128468.

12. Meng F., Meng Y., Ju T., Han S., Lin L., Jiang J. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2022. V. 168. P. 112902.

13. Safarzadeh Khosrowshahi M., Afshari Aghajari A., Rahimi M., Maleki F., Ghiyabi E., Rezanezhad A., Bakhshi A., Salari E., Shayesteh H., Mohammadi H. // Mater. Today Sustain. 2024. V. 27. P. 100900.

14. Гладышева Т.В., Гладышев Н.Ф., Дворецкий С.И., Суворова Ю.А. Известковые хемосорбенты. Получение. Свойства. Применение. М.: Издательский дом «Спектр», 2015. 184 с.

15. Гладышева Т.В., Гладышев Н.Ф., Дворецкий С.И., Гатапова Н.Ц.,Суворова Ю.А. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2015. Т. 21. № 3. С. 429-437.

16. Harmata W., Szcześniak Z., Sobiech M., Baryłka A. // Inżynieria Bezpieczeństwa Obiektów Antropog. 2023. V. 3. № 3. P. 53–71.

17. Stull J.O., White M.G. // Toxicol. Environ. Chem. 1985. V. 10. № 2. P. 133–155.

18. Jiang Y., Bashraheel M.K., Liu H., Poelaert J., Van de Velde M., Vandenbroucke G., Carette R., De Wolf A.M., Hendrickx J.F.A. // J. Clin. Monit. Comput. 2019. V. 33. № 6. P. 1081–1087.

19. Velmurugan H., Md H., Karim R., Neelambaran K., Thangaraju P. // Signif. Nonsignificant Risk Med. Devices. 2024. P. 45–72.

20. Derevschikov V.S., Kazakova E.D., Yatsenko A., Veselovskaya J.V. // Sep. Sci. Technol. 2020. V. 00. № 00. P. 1–13.

21. Ли. Ч., Ивахнюк Г.К., Федоров Н.Ф., Пименова М.А. Основы технологий производства химических компонентов систем жизнеобеспечения. Санкт-Петербург: Лань, 2020. 368 с.

22. Tovar T.M., LeVan M.D. // Adsorption. 2017. V. 23. № 1. P. 51–56.

23. Ahmadi M., Ghaemi A., Qasemnazhand M. // Sci. Rep. 2023. V. 13. № 1. P. 1–18.

24. Gladyshev N.F., Gladysheva T. V., Putin S.B., Dorokhov R. V., Simanenkov E.I., Plotnikov M.Y., Rodaev V. V. // Russ. J. Gen. Chem. 2014. V. 84. № 11. P. 2353–2358.

25. Ekhilevskiy S.G., Potapenko E.P. // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2021. V. 66. № 1. P. 101–109.

26. Shkatulov A.I., Houben J., Fischer H., Huinink H.P. // Renew. Energy. 2020. V. 150. P. 990–1000.

27. Rodríguez-Mosqueda R., Bramer E.A., Roestenberg T., Brem G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. № 10. P. 3628–3638.

28. Veselovskaya J.V., Derevschikov V.S., Kardash T.Y., Stonkus O.A., Trubitsina T.A., Okunev A.G. // Int. J. Greenh. Gas Control. 2013. V. 17. .

29. Derevschikov V.S., Kuznetsov V.L., Veselovskaya J. V., Moseenkov S.I., Yatsenko D.A., Suknev A.P., Leonova A.A., Makolkin N. V., Ruvinskiy P.S. // Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. № 47. P. 20340–20351.

30. Derevschikov V.S., Veselovskaya J. V., Shalygin A.S., A.Yatsenko D., Sheshkovas A.Z., Martyanov O.N. // Chinese J. Chem. Eng. 2021. V. 46. P. 11–20.

31. Постернак Н.В., Путин С.Б., Симаненков С.И., Гатапова Н.Ц. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2012. Т. 18. № 1. С. 173–181.

32. Abdulkadir B.A., Setiabudi H.D. // Chem. Eng. Technol. 2025. V. 48. № 2. P. e202400067.

33. Hussain C.M., Saridara C., Mitra S. // J. Chromatogr. A. 2008. V. 1185. № 2. P. 161–166.

34. Sezer N., Koç M. // Surfaces and Interfaces. 2019. V. 14. P. 1–8.

35. Lau C.H., Cervini R., Clarke S.R., Markovic M.G., Matisons J.G., Hawkins S.C., Huynh C.P., Simon G.P. // J. Nanoparticle Res. 2008. V. 10. № SUPPL. 1. P. 77–88.

36. Smith B., Wepasnick K., Schrote K.E., Cho H.H., Ball W.P., Fairbrother D.H. // Langmuir. 2009. V. 25. № 17. P. 9767–9776.

37. Dubey R., Dutta D., Sarkar A., Chattopadhyay P. // Nanoscale Adv. 2021. V. 3. № 20. P. 5722–5744.

38. Xu F., Sun L.X., Zhang J., Qi Y.N., Yang L.N., Ru H.Y., Wang C.Y., Meng X., Lan X.F., Jiao Q.Z., Huang F.L. // J. Therm. Anal. Calorim. 2010. V. 102. № 2. P. 785–791.

39. Feng D., Zhao Z., Li P., Li Y., Zha J., Hu J., Zhang Y., Feng Y. // Mater. Today. 2024. V. 75. P. 285–308.

40. He Z., Zhang C., Zhu Z., Yu Y., Zheng C., Wei F. // Adv. Funct. Mater. 2024. V. 34. № 48. P. 2408285.

41. Salah L.S., Ouslimani N., Bousba D., Huynen I., Danleé Y., Aksas H. // J. Nanomater. 2021. V. 2021. № 1. P. 4972770.

42. Temizel-Sekeryan S., Wu F., Hicks A.L. // Int. J. Life Cycle Assess. 2021. V. 26. № 4. P. 656–672.

43. Modekwe H.U., Ayeleru O.O., Onu M.A., Tobias T., Mamo M.A., Moothi K., Daramolad M.O., Olubambi P.A. 2021. .

44. Derevschikov V.S., Veselovskaya J.V., Kardash T.Y., Trubitsyn D.A., Okunev A.G. // Fuel. 2014. V. 127. .

45. Kuznetsov V.L., Krasnikov D. V., Schmakov A.N., Elumeeva K. V. // Phys. Status Solidi Basic Res. 2012. V. 249. № 12. P. 2390–2394.

46. Mel’gunov M.S., Ayupov A.B. // Microporous Mesoporous Mater. 2017. V. 243. P. 147–153.

47. Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.P. // J. Am. Chem. Soc. 1951. V. 73. № 1. P. 373–380.

48. Shaheer Akhtar M., Park J.G., Lee H.C., Lee S.K., Yang O.B. // Electrochim. Acta. 2010. V. 55. № 7. P. 2418–2423.

49. Bielec K., Kowalski A., Bubak G., Witkowska Nery E., Hołyst R. // J. Phys. Chem. Lett. 2021. V. 13. № 1. P. 112–117.

50. Breton M.F., Discala F., Bacri L., Foster D., Pelta J., Oukhaled A. // J. Phys. Chem. Lett. 2013. V. 4. № 13. P. 2202–2208.

51. Uddin N.M., Capaldi F.M., Farouk B. // Polymer (Guildf). 2011. V. 52. № 2. P. 288–296.

52. Choukourov A., Grinevich A., Polonskyi O., Hanus J., Kousal J., Slavinska D., Biederman H. // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. № 10. P. 2984–2989.

53. Gordon Cameron G., Ingram M.D., Younus Qureshi M., Gearing H.M., Costa L., Camino G. // Eur. Polym. J. 1989. V. 25. № 7–8. P. 779–784.

54. Pielichowski K., Flejtuch K. // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2005. V. 73. № 1. P. 131–138.

55. Мальцева Н.В. , Мосеенков С.И. , Лебедева М.В. , Козлов Д.В. Электрохимия. 2024. № 7. С. 512-526.

56. Lin J., Zhao Q., Xiao Y., Huang H. // Energy Built Environ. 2024. .

57. Guo Y., Zhao C., Li C., Wu Y. // Chem. Eng. J. 2015. V. 260. P. 596–604.

58. Masoud N., Bordanaba-Florit G., van Haasterecht T., Bitter J.H. // Ind. Eng. Chem. Res. 2021. V. 60. № 38. P. 13749–13755.

59. Ng L.H., Ling J.K.U., Hadinoto K. // Pharmaceutics. 2022. V. 14. № 10. P. 2015.

60. Ивахнюк Г.К., Кожина Т.Г., Самонин В.В., Федоров Н.Ф., Слесарева М.О. // Журнал прикладной химии. 1991. №. 3. С. 578–582.

61. Деревщиков В.С.,Селютина O.Ю. // Катализ в промышленности. 2023. Т. 23. № 2. С. 6–14.

62. Деревщиков В.С.,, Казакова Е.Д. // Катализ в промышленности. 2020. Т. 12. № 1. С. 1–6.

63. Zheng S., Cheng X., Zhou W., Wang T., Zhu L., Xiao H., Chen X. // Asia-Pacific J. Chem. Eng. 2024. V. 19. № 3. P. e3058.

64. Veselovskaya J. V., Lysikov A.I., Netskina O. V., Kuleshov D. V., Okunev A.G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59. № 15. P. 7130–7139.

65. Veselovskaya J. V., Derevschikov V.S., Shalygin A.S., Yatsenko D.A. // Microporous Mesoporous Mater. 2021. V. 310. № September 2020. P. 110624.