Fange gasser bedre med bornitrid-nanoporer

Hvad er fælles mellem en teknologi til lagring af energi i en solcelle og den til vandrensning? De er begge afhængige af brugen af ​​porøse materialer, eller mere specifikt, 'nanoporøse' materialer, der kan fange gasmolekyler i snævre rum på deres overflade, kaldet porer, som kun er nanometer (en milliardtedel af en meter) store. I kemisprog, fænomenet er kendt som adsorption og har spillet en vigtig rolle i syntesen af ​​porøse materialer med forskellige sammensætninger, porestørrelser, og endda poregeometrier.

Traditionelt, aktivt kul (AC, eller en porøs form for carbon) har været en populær adsorbent til praktiske anvendelser på grund af dens højere adsorptionskapacitet end andre porøse materialer. På det sidste, imidlertid, porøst bornitrid (p-BN) er dukket op som et lovende alternativ på grund af dets imponerende ydeevne, som fremhævet af en nylig undersøgelse, der hævder, at p-BN kan adsorbere en relativt stor mængde kuldioxid ved stuetemperatur.

Nu, en gruppe videnskabsmænd fra Okayama University og Nagasaki University, Japan, har sat denne påstand på prøve i deres seneste undersøgelse, hvor de undersøgte p-BNs adsorberende egenskaber i detaljer. "En BN-enhed og to carbonatomer (dvs. CC) har begge det samme antal elektroner og lignende strukturer, men deres interaktion med gasmolekyler er anderledes på grund af BNs atomare heterogene natur. På trods af dette, der har været meget lidt forskning i BN-materialer. I vores undersøgelse, vi ønskede at se, om BN har specifikke adsorptionsegenskaber, som ikke kan observeres i kulstofmaterialer, " forklarer Dr. Takahiro Ohkubo fra Okayama University, der ledede denne undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet RSC går videre .

Til at starte med, forskerne syntetiserede p-BN-prøver ved høje temperaturforhold under tilstedeværelse af nitrogen og undersøgte deres struktur ved hjælp af røntgendiffraktion, infrarød (IR) spektraanalyse, og højopløselig elektronmikroskopi. Prøverne afveg kun fra hinanden med hensyn til de temperaturer, ved hvilke de blev syntetiseret. Mens røntgendiffraktionsdata og IR afslørede en amorf fase (der mangler veldefineret struktur) BN omfattende hexagonal fase BN (h-BN) mikrokrystaller for alle prøver, den behandlet ved 1673 K (1400°C), kaldet p-BN-1673, viste den mest ordnede struktur. Efter at have undersøgt det under elektronmikroskopet, forskerne fandt ud af, at denne prøve var sammensat af stablede lag af buede plader med nanometer-størrelse porer dannet imellem.

Forskerne så derefter på termogravimetriske kurver for prøverne for at estimere deres stabilitet mod oxidation og opdagede, at det var direkte forbundet med syntesetemperaturen, med højere temperaturer, hvilket medfører højere stabilitet. I øvrigt, nogle yderligere arter af carbon og oxygen blev introduceret i h-BN-krystalstrukturen, især i p-BN-1473, giver anledning til kemisk aktive steder for nitrogenadsorption. Mens disse arter normalt reducerer oxidationsstabiliteten, krystalliniteten af ​​h-BN hjalp med at bevare det op til 973 K under normale forhold - en egenskab, der ikke findes i kulstofbaserede adsorbenter.

Endelig, ved at sammenligne gasadsorptionsevnen af ​​p-BN og AC med nitrogen og argon som adsorbater, forskere observerede, at p-BN-porer adsorberede nitrogen stærkere end argon og i relativt meget større mængder (~ 150%-200%) end AC. De tilskrev denne observation til en yderligere fysisk interaktion mellem nitrogen- og p-BN-porer, der var fraværende for argon, og skabelsen af ​​adsorptionssteder i p-BN af de imprægnerede carbon- og oxygenarter.

Med disse resultater, Dr. Ohkubo og teamet er overbeviste om fremkomsten af ​​p-BN som næste generations adsorberende materiale. "I betragtning af dens overlegne oxidationsstabilitet og adsorptionsart, vi ser frem til anvendelsen af ​​porøst BN som et nyt adsorberende materiale og katalysatorunderstøtningsmateriale, især i tilfælde, hvor det ikke er muligt at bruge kuladsorbenter, " kommenterer Dr. Ohkubo.

Det ser ud til, at carbon er ved at gå af mode på endnu en front.