Separationsprocesser är väsentliga vid rening och koncentration av en målmolekyl under vattenrening, avlägsnande av föroreningar och värmepumpning, och står för 10–15 % av den globala energiförbrukningen. För att göra separationsprocesserna mer energieffektiva är förbättringar i designen av porösa material nödvändig. Detta kan drastiskt minska energikostnaderna med cirka 40–70 %. Den primära metoden för att förbättra separationsprestandan är att exakt kontrollera porstrukturen.
I detta avseende erbjuder porösa kolmaterial en distinkt fördel eftersom de är sammansatta av endast en typ av atomer och har använts väl för separationsprocesser. De har stora porvolymer och ytareor, vilket ger hög prestanda vid gasseparering, vattenrening och lagring. Emellertid har porstrukturer i allmänhet hög heterogenitet med låg designbarhet. Detta innebär olika utmaningar, vilket begränsar användbarheten av kolmaterial vid separation och lagring.
Nu har ett team av forskare från Japan, ledd av docent Tomonori Ohba från Chiba University och inklusive masterstudenter, Kai Haraguchi och Sogo Iwakami, tillverkat fullerenpelare porös grafen (FPPG) – en kolkomposit som består av nanokol – använder en bottom-up-metod med mycket designbara och kontrollerbara porstrukturer.
De beskriver syntesen, karaktäriseringen och egenskaperna hos detta nya vattenadsorberande material i en nyligen publicerad artikel publicerad i The Journal of Physical Chemistry C .
Forskarna tillverkade FPPG i form av en fulleren-grafen-fulleren sandwichstruktur genom att lägga till en fullerenlösning till grafen. De belade lätt fulleren-grafenkompositionen och laminerade den 1–10 gånger. Den nya inställningsförmågan i deras syntes möjliggjorde exakt kontroll av fullerenfyllningen i porös grafen.
Efter att ha utvecklat FPPG-strukturer med olika fyllningsförhållanden för fulleren använde forskarna experimentella tekniker och storslagna kanoniska Monte Carlo-simuleringar för att undersöka deras vattenångadsorptionsegenskaper. De fann att 4 % fullerenfylld grafen endast svagt adsorberade vattenånga.
Efter att ha ökat fullerenfyllningen till 5 % minskade adsorptionsmängden ytterligare på grund av kollapsen av nanoporer i den laminära porösa grafenen. Att öka fyllnadsgraden nära 25 % gav dock ett överraskande resultat. "FPPG med 25 ± 8% fulleren hade den största vattenångadsorptionskapaciteten vid 40% relativ luftfuktighet på grund av produktionen av stora enhetliga nanoporer", säger Dr. Ohba.
Att ytterligare öka fullerenfyllningsförhållandet i FPPG, upp till 50 % fulleren, minskade adsorptionsförmågan. Monte Carlo-simuleringarna stämde överens med dessa observationer och avslöjade att överskottet av fullerenhalt minskade nanoporerna, vilket i sin tur förhindrade bildandet av vattenkluster.
"Bottom-up-tekniken, tillsammans med designbara och kontrollerbara porstrukturer hos FPPG, kan underlätta utvecklingen av fler sådana nya material som avsevärt skulle förbättra prestandan för gas- och vätskerenings- och koncentreringsprocesser", säger Dr Ohba. "Detta skulle i sin tur sänka kostnaderna avsevärt för många produkter som tillverkas via separationsprocesser."
Tillsammans kan nya porösa kol som FPPG potentiellt revolutionera lagrings- och reningsapplikationer, vilket gör dem mer energieffektiva och kostnadseffektiva.
Mer information: Kai Haraguchi et al, Tillverkning av fullerenpelare porös grafen och dess vattenångadsorption, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry C
Tillhandahålls av Chiba University
