Фуллерены

Aug 08, 2023

Исследователи изготовили пористый графен, поглощающий влагу, используя восходящий процесс с высокой проектируемостью и управляемостью пористых структур.

Университет Тиба

изображение: Пористый графен с фуллереновыми столбиками и степенью наполнения фуллеренов 25 ± 8% имел однородные нанопоры и наибольшую способность к адсорбции водяного пара при относительной влажности 40%, что имело потенциальное применение в процессах очистки и концентрирования газов и жидкостей.посмотреть больше

Фото: Томонори Оба из Университета Тиба.

Процессы разделения необходимы для очистки и концентрации целевой молекулы при очистке воды, удалении загрязняющих веществ и откачке тепла, на их долю приходится 10–15% мирового потребления энергии. Чтобы сделать процессы разделения более энергоэффективными, необходимо усовершенствование конструкции пористых материалов. Это может значительно снизить затраты на электроэнергию примерно на 40–70%. Основным подходом к улучшению эффективности разделения является точный контроль структуры пор. В этом отношении пористые углеродные материалы имеют явное преимущество, поскольку они состоят только из одного типа атомов и хорошо используются в процессах разделения. Они имеют большие объемы пор и площади поверхности, что обеспечивает высокую производительность при разделении газов, очистке и хранении воды. Однако пористые структуры обычно имеют высокую неоднородность и низкую проектируемость. Это создает различные проблемы, ограничивающие применимость углеродных материалов для разделения и хранения. Теперь группа исследователей из Японии во главе с доцентом Томонори Оба из Университета Тиба и в которую входят студенты магистратуры г-н Кай Харагути и г-н Сого Иваками, изготовили пористый графен с фуллереновыми столбиками (FPPG) — углеродный композит, содержащий наноуглероды — с использованием подхода «снизу вверх» с легко проектируемыми и контролируемыми структурами пор. Они подробно описывают синтез, характеристики и свойства этого нового водопоглощающего материала в недавней статье, доступной в Интернете 16 июня 2023 года и опубликованной в томе 127, выпуске 25 журнала Journal of Physical Chemistry C 29 июня 2023 года. Исследователи изготовили FPPG в виде сэндвич-структуры фуллерен-графен-фуллерен путем добавления раствора фуллерена к графену. Они слегка покрыли композицию фуллерен-графен и ламинировали ее 1–10 раз. Новые возможности настройки при их синтезе позволили точно контролировать заполнение фуллеренами пористого графена. После разработки структур FPPG с различными коэффициентами заполнения фуллеренами исследователи применили экспериментальные методы и грандиозное каноническое моделирование Монте-Карло для исследования их свойств адсорбции водяного пара. Они обнаружили, что графен, наполненный 4% фуллеренами, лишь незначительно адсорбирует водяной пар. При увеличении наполнения фуллеренами до 5% величина адсорбции еще больше снизилась за счет коллапса нанопор в ламинарно-пористом графене. Однако увеличение коэффициента наполнения почти до 25% дало неожиданный результат. «FPPG с содержанием фуллерена 25 ± 8% обладал наибольшей способностью к адсорбции водяного пара при относительной влажности 40% благодаря образованию крупных однородных нанопор», — подчеркивает доктор Охба. Дальнейшее увеличение степени заполнения фуллеренами в FPPG до 50% фуллерена, снижается адсорбционная способность. Моделирование Монте-Карло согласилось с этими наблюдениями, показав, что избыточное содержание фуллеренов уменьшает количество нанопор, что, в свою очередь, предотвращает образование кластеров воды. новых материалов, которые значительно улучшат эффективность процессов очистки и концентрации газов и жидкостей», — предполагает оптимистичный доктор Охба. «Это, в свою очередь, значительно снизит стоимость многочисленных продуктов, производимых с помощью процессов разделения».