Fulleren-søjler porøs grafen med høj vandadsorptionskapacitet

Separationsprocesser er essentielle i oprensningen og koncentrationen af ​​et målmolekyle under vandrensning, fjernelse af forurenende stoffer og varmepumpning, der tegner sig for 10-15% af det globale energiforbrug. For at gøre adskillelsesprocesserne mere energieffektive er det nødvendigt at forbedre designet af porøse materialer. Dette kan drastisk reducere energiomkostningerne med omkring 40-70%. Den primære tilgang til at forbedre separationsydelsen er at kontrollere porestrukturen præcist.

I denne henseende tilbyder porøse kulstofmaterialer en klar fordel, da de kun er sammensat af én type atom og er blevet godt brugt til separationsprocesser. De har store porevolumener og overfladearealer, hvilket giver høj ydeevne i gasseparation, vandrensning og opbevaring. Imidlertid har porestrukturer generelt høj heterogenitet med lav designbarhed. Dette giver forskellige udfordringer, hvilket begrænser anvendeligheden af ​​kulstofmaterialer i adskillelse og opbevaring.

Nu har et team af forskere fra Japan, ledet af lektor Tomonori Ohba fra Chiba University og inklusive masterstuderende, hr. Kai Haraguchi og hr. Sogo Iwakami, fremstillet fulleren-søjleformet porøs grafen (FPPG) - en kulstofkomposit bestående af nanocarboner - ved at bruge en bottom-up tilgang med meget designbare og kontrollerbare porestrukturer.

De beskriver syntesen, karakteriseringen og egenskaberne af dette nye vandadsorberende materiale i en nylig artikel offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry C .

Forskerne fremstillede FPPG i form af en fulleren-grafen-fulleren sandwichstruktur ved at tilføje en fullerenopløsning til grafen. De coated let fulleren-grafen sammensætningen og laminerede den 1-10 gange. Den nye tuning-evne i deres syntese muliggjorde præcis kontrol af fullerenfyldningen i porøs grafen.

Efter at have udviklet FPPG-strukturer med forskellige fullerenfyldningsforhold brugte forskerne eksperimentelle teknikker og store kanoniske Monte Carlo-simuleringer til at undersøge deres vanddampadsorptionsegenskaber. De fandt ud af, at 4% fullerenfyldt grafen kun i ringe grad adsorberede vanddamp.

Ved at øge fullerenfyldningen til 5% faldt adsorptionsmængden yderligere på grund af kollapsen af ​​nanoporer i den laminære porøse grafen. En forøgelse af fyldningsgraden tæt på 25 % gav dog et overraskende resultat. "FPPG med 25 ± 8% fulleren havde den største vanddampadsorptionskapacitet ved 40% relativ luftfugtighed på grund af produktionen af ​​store ensartede nanoporer," siger Dr. Ohba.

Yderligere forøgelse af fullerenfyldningsforholdet i FPPG, op til 50 % fulleren, formindskede adsorptionsevnerne. Monte Carlo-simuleringerne stemte overens med disse observationer og afslørede, at det overskydende indhold af fulleren reducerede nanoporerne, hvilket igen forhindrede dannelsen af ​​vandklynge.

"Den bottom-up teknik, sammen med designbare og kontrollerbare porestrukturer af FPPG, kan lette udviklingen af ​​flere sådanne nye materialer, der ville forbedre ydeevnen af ​​gas- og væskerensnings- og koncentrationsprocesser betydeligt," siger Dr. Ohba. "Dette ville til gengæld reducere omkostningerne betydeligt ved adskillige produkter fremstillet via separationsprocesser."

Tilsammen kan nye porøse kulstoffer såsom FPPG potentielt revolutionere opbevarings- og rensningsapplikationer og gøre dem mere energieffektive og omkostningseffektive.

Flere oplysninger: Kai Haraguchi et al., Fabrication of Fulleren-Pillared Porous Graphene and Its Water Vapor Adsorption, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry C

Leveret af Chiba University