In an effort to reduce the energy penalty and cost associated with state-of-the-art carbon capture technologies, a range of 2nd and 3rd generation CO2 capture technologies are being developed. One of these technologies, based on solid sorbents for the gas separation in carbon capture, has the potential to significantly reduce the energy penalty and avoid some of the problems associated with the current technologies. However to realise this potential, two main developments are required: new porous materials and new plant integration processes. This application note describes the performance requirements and challenges associated with the development of functional materials for this application. We describe the key challenges for materials development and the requirements in terms of operating conditions, gas composition, stability, and lifetime to make solid sorbents a viable large scale CO2 capture process. Examples of potential future research and breakthrough materials currently being developed are also discussed.

Alcohol-containing polymer networks synthesized by Friedel–Crafts alkylation have surface areas of up to 1015 m2/g. Both racemic and chiral microporous binaphthol (BINOL) networks can be produced by a simple, one-step route. The BINOL networks show higher CO2 capture capacities than their naphthol counterparts under idealized, dry conditions. In the presence of water vapor, however, these BINOL networks adsorb less CO2 than more hydrophobic analogues, suggesting that idealized measurements may give a poor indication of performance under more realistic carbon capture conditions.

To impact carbon emissions, new materials for carbon capture must be inexpensive, robust, and able to adsorb CO2 specifically from a mixture of other gases. In particular, materials must be tolerant to the water vapor and to the acidic impurities that are present in gas streams produced by using fossil fuels to generate electricity. We show that a porous organic polymer has excellent CO2 capacity and high CO2 selectivity under conditions relevant to precombustion CO2 capture. Unlike polar adsorbents, such as zeolite 13x and the metal-organic framework, HKUST-1, the CO2 adsorption capacity for the hydrophobic polymer is hardly affected by the adsorption of water vapor. The polymer is even stable to boiling in concentrated acid for extended periods, a property that is matched by few microporous adsorbents. The polymer adsorbs CO2 in a different way from rigid materials by physical swelling, much as a sponge adsorbs water. This gives rise to a higher CO2 capacities and much better CO2 selectivity than for other water-tolerant, nonswellable frameworks, such as activated carbon and ZIF-8. The polymer has superior function as a selective gas adsorbent, even though its constituent monomers are very simple organic feedstocks, as would be required for materials preparation on the large industrial scales required for carbon capture.