Fotografier av de hierarkiska nanoporösa membranen skapade med en schaberbeläggningsmetod. A, Fotografi av HNM med stor yta (10 × 10 cm2) tillverkad med en schabermetod. B, Fotografi av fristående och flexibel HNM utan frånvaro av sprickor. Fotokredit:J.T., Stanford University. Tillstånd beviljat. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Inom området flyktiga organiska föreningar, grafenoxider har uppmärksammats som tvådimensionella (2-D) material med nanoporösa membran på grund av deras molekylsilliknande arkitektoniska egenskaper och funktionella enkelhet lämpade för väte (H 2 ) adsorption. Ändå, ackumuleringen av grafenark kan vara utmanande på grund av deras låga effektivitet för långsiktiga industriella applikationer. Som ett resultat, Haiyan Mao och ett forskarteam vid University of California Berkeley, Stanford University och Lawrence Berkeley National Lab i USA designade hierarkiska nanoporösa membran (HNM). De designade och utvecklade konstruktionerna genom att kombinera en klass av nanokompositer med en kolsfär och grafenoxid. Teamet följde Murrays lag (en optimeringsprincip) för att förbereda de hierarkiska kolsfärerna för att fungera som distanser och adsorbenter, med kemisk aktivering vid sidan av mikrovågsuppvärmning. HNMs innehöll mikroporer dominerade av en kombination av ultra-mikroporer och mesoporer. Arbetet kan utvidgas över miljö- och energiområden.
Materialarkitektur för industriell gasseparering och lagring .
Att designa material för gasseparering och lagring kan vara utmanande på grund av motstridiga mål. Till exempel, porer i storleksordningen molekylära dimensioner är nödvändiga för att särskilja olika gaser på basis av storlek, men de måste också vara kemiskt funktionaliserade för att underlätta kemisk selektivitet under adsorption. Kapilläreffekter kan också orsaka igensättning av trånga porer på grund av föroreningar och gaskondensering. Mao et al. skapade därför hierarkiska material som kombinerade eleganta 2-D nanosheets med syntetiska kolsfärer för att skapa en "köttbollssmörgås" i en lätt skalbar produktionsprocess. Materialen utförde framgångsrikt flyktig organisk adsorption och lagring av vätgas. Industriell gasseparering och lagring har en lång historia där porösa material inklusive aktivt kol, zooliter och metallorganiska ramverk (MOF) har underlättat avlägsnandet av flyktiga organiska föreningar och lagrat väte, även om deras begränsade mekaniska stabilitet kan begränsa långtidsapplikationer. Medan vissa MOF har visat hög gasadsorptionsprestanda, deras stora arealproduktion är förknippad med ökad skörhet.
Trä-härledda hierarkiska kolsfärer (HCS). (A) Schematiskt diagram över tillverkningsprocessen av kolsfären. (B) Schematiskt diagram över tillverkningsprocessen av HCS. (C till E) SEM-bilder av cellulosa och kolsfärerna. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Tekniska kolsfärer
Forskare hade därför nyligen utvecklat kolsfärer med hierarkiska mikro- och mesosfärer för tillämpningar i närvaro av flyktiga organiska föreningar (VOC) och väte (H2) adsorption på grund av deras höga sfäricitet, selektivitet, och porositet. Mao et al. omvandlade dessa sfärer till membran med hjälp av bindemedel, men konstruktionerna var mottagliga för dyra tillverkningskostnader och mekaniska instabiliteter. Teamet monterade därför hierarkiska nanoporösa membranstrukturer (HNM) genom att montera kolsfärer som effektiva nanoporösa distanser för att förbättra massöverföring över plan genom expanderat mellanskikt. Teamet skapade hydrotermisk kolsyrning av pinjebaserad cellulosa blandad med grafenoxid (GO) för att skapa membran baserat på en extremt enkel läkarbladsmetod. Rent generellt, metoden används i stor utsträckning för att producera tunna filmer på stora ytor, och de resulterande porösa HNM:erna innehöll mikroporer och mesoporer.
Experimentella hierarkiska kolsfärer
Jämförelse av en schematisk illustration av GO-membran, kolsfärmembran, och hierarkiska nanoporösa membran (HNM). (A) Designad strukturell modell av staplade grafenmembran. (B) Modell av mekaniskt svaga lager av kolsfärmembran med bindemedel. (C) Modell av den mekaniska hållfastheten och höga adsorptionskapaciteten hos HNM. Som en jämförelse av GO-membran och kolsfärmembran, våra HNMs kombinerade fördelarna med både GO- och kolsfärmembran:I denna köttbulle-smörgåsstruktur, kolsfärer fungerar som distanser och adsorbenter, förhindrar agglomerationen av GO. GO-ark sprider kolsfärer fysiskt, säkerställer mekanisk stabilitet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Mao et al. utvecklat de hierarkiska kolsfärerna (HCS) med stor yta, hög sfäricitet och monodispergerbarhet genom flera steg, som inkluderade hydrotermisk karboniseringssyntes och kemiska mikrovågsaktiveringsmetoder. Teamet använde svepelektronmikroskopi (SEM) för att förstå effekterna av reaktionstemperaturen, reaktionstid och cellulosakoncentration av HCS. De noterade snabb cellulosanedbrytning under hydrotermisk temperaturökning för att generera hydrotermiska kol med en högre grad av aromatisering. Efter optimal behandling, Mao et al. erhållit optimerade kolsfärer med sfärisk struktur och en slät yta utan ihålig insida. Använda infraröda (IR) spektra, de visade hur cellulosa och kol sfärer indikerade närvaron av många syrefunktionella grupper på ytan av HCS. Cellulosan genomgick dehydratisering och aromatisering under hydrotermisk karbonisering. Mao et al. använde röntgendiffraktionsanalys (XRD) för att förstå XRD-mönstren för cellulosa och kolsfärer för att visa hur de resulterande kolmaterialen existerade i ett amorft tillstånd.
Teamet syntetiserade därefter grafenoxid (GO)/hierarkiska kolsfärer (HCS), följt av undersökningar av scanningelektronmikroskopi för att tydligt identifiera grafen-nanoark, som stämde väl överens med tidigare arbeten. HCS:erna behöll en sfärisk arkitektur utan uppenbara skador eller skrynkliga texturer; metoden förhindrade aggregeringen av grafen för att framgångsrikt tillverka de nya kompositerna GO/HCS (grafenoxid/hierarkisk kolsfär).
Utveckla hierarkiska nanoporösa membran (HNM) och proof-of-concept:
Doctor-blade-beläggningsteknik för att tillverka HNM. (A) Schematisk illustration av bladbeläggningsmetoden för att bilda HNM. (B) Fotografier av en HNM med stor yta (10 cm x 10 cm) tillverkad med schabermetoden. (C till F) SEM-bilder av HNM. (G och H) SEM-bilder av tvärsnittskanten av HNM. (I) Raman-spektra av HCS, GÅ, och HNM. D-bandet motsvarar defekterna och oordningarna i det trähärledda kolet, medan G-bandet beror på sträckningen i planet av sp2-bundet kol. Fotokredit:J.T., Stanford University. Tillstånd beviljat. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Den flyktiga organiska föreningen (VOC) och H2-adsorptionsprestanda för HNM. (A) Schematiskt diagram över experimentell uppställning för att mäta VOC-adsorption. (B) Strukturell modell för toluen- och acetonadsorption. (C och D) Adsorptionsisotermer för aceton och toluen och D-R-koppling. (E) Genombrottskurvor för aceton och toluen vid 200 ppmv. (F) Adsorptionskapacitet för HNM och aktivt kol vid utloppskoncentrationen 200 ppmv. (G) Schematiskt diagram över H2 -adsorption. (H) Jämvikts-H2-adsorptionsisotermer vid 77 K. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Mao et al. använde schaberbladsavsättningsmetoden för att producera hierarkiska nanoporösa membran (HNM) med mycket mångsidig, enhetliga och fristående membran med exakt kontrollerad tjocklek. The structures showed a higher degree of corrugation in comparison to pure graphene oxide; beneficial for volatile organic compound (VOC) diffusion and adsorption. All experimental outcomes confirmed the facile fabrication procedure, large surface area and low cost of the starting materials used to develop HNMs as promising candidates for VOC and hydrogen storage. As proof of concept, Mao et al recorded the adsorption performance of VOCs to understand the contribution of hierarchical structures and the mechanical stability of hierarchical nanopore membranes. As an example, with volatile compounds such as toluene and acetone, the adsorption capacities were comparable to other porous materials. At high concentrations, the adsorption capacity increased gradually. På det här sättet, the extremely well-developed micropores efficiently and rapidly adsorbed the toluene/acetone molecules. The outcomes indicated promising adsorption performance in low-concentration, volatile organic compound (VOC) environments.
Mao et al additionally tested the hydrogen storage capacity of HNM due to their exceptionally high surface areas and hierarchical micropore-dominated structures. The work showed advantages for hydrogen adsorption including low cost, good reversibility and safety. The team tested the cost-effectiveness and durability of HNMs through multiple adsorption/desorption cycles to confirm the cost-effective applications of the membranes.
© 2020 Science X Network
