Op het gebied van vluchtige organische stoffen, grafeenoxiden hebben de aandacht getrokken als tweedimensionale (2-D) materialen met nanoporeuze membranen vanwege hun moleculaire zeefachtige architecturale eigenschappen en functionele eenvoud die geschikt zijn voor waterstof (H ₂ ) adsorptie. Hoe dan ook, de accumulatie van grafeenplaten kan een uitdaging zijn vanwege hun lage efficiëntie voor industriële toepassingen op de lange termijn. Als resultaat, Haiyan Mao en een onderzoeksteam van de University of California Berkeley, Stanford University en het Lawrence Berkeley National Lab in de VS hebben hiërarchische nanoporeuze membranen (HNM's) ontworpen. Ze ontwierpen en ontwikkelden de constructies door een klasse nanocomposieten te combineren met een koolstofbol en grafeenoxide. Het team volgde de wet van Murray (een optimalisatieprincipe) om de hiërarchische koolstofbollen voor te bereiden om te fungeren als afstandhouders en adsorbentia, met behulp van chemische activering naast magnetronverwarming. De HNM's bevatten microporiën die worden gedomineerd door een combinatie van ultramicroporiën en mesoporiën. Het werk kan worden uitgebreid over milieu- en energiegebieden.

Materiaalarchitectuur voor industriële gasscheiding en -opslag .

Het ontwerpen van materialen voor gasscheiding en opslag kan een uitdaging zijn vanwege tegenstrijdige doelen. Bijvoorbeeld, poriën in de volgorde van moleculaire afmetingen zijn nodig om verschillende gassen te onderscheiden op basis van grootte, maar ze moeten ook chemisch worden gefunctionaliseerd om chemische selectiviteit tijdens adsorptie te vergemakkelijken. Capillaire effecten kunnen ook verstoppingen in nauwe poriën veroorzaken door onzuiverheden en gascondensatie. Mao et al. creëerde daarom hiërarchische materialen die elegante 2D-nanosheets combineerden met synthetische koolstofbollen om een ​​"gehaktbalsandwich" te creëren in een eenvoudig op te schalen productieproces. De materialen hebben met succes vluchtige organische adsorptie en waterstofgasopslag uitgevoerd. Industriële gasscheiding en -opslag hebben een lange geschiedenis waarbij poreuze materialen, waaronder actieve kool, zoolieten en metaalorganische raamwerken (MOF's) hebben de verwijdering van vluchtige organische stoffen en opgeslagen waterstof vergemakkelijkt, hoewel hun beperkte mechanische stabiliteit langdurige toepassingen kan beperken. Hoewel sommige MOF's hoge gasadsorptieprestaties hebben laten zien, hun productie op grote oppervlakte wordt geassocieerd met verhoogde kwetsbaarheid.

Technische koolstofbollen

Wetenschappers hadden daarom recentelijk koolstofbollen ontwikkeld met hiërarchische micro- en mesosferen voor toepassingen in aanwezigheid van vluchtige organische stoffen (VOS) en waterstof (H2) adsorptie vanwege hun hoge bolvorm, selectiviteit, en porositeit. Mao et al. transformeerde deze bollen in membranen met behulp van bindmiddelen, maar de constructies waren gevoelig voor dure fabricagekosten en mechanische instabiliteiten. Het team heeft daarom hiërarchische nanoporeuze membraanstructuren (HNM) geassembleerd door koolstofbollen te assembleren als effectieve nanoporeuze afstandhouders om de massaoverdracht over het hele vlak te verbeteren door middel van uitgebreide tussenlaagafstand. Het team maakte hydrothermische carbonisatie van op grenenhout gebaseerde cellulose vermengd met grafeenoxide (GO) om membranen te maken op basis van een uiterst eenvoudige rakelmethode. Over het algemeen, de methode wordt veel gebruikt om dunne films op grote oppervlakken te produceren, en de resulterende poreuze HNM's bevatten microporiën en mesoporiën.

Experimentele hiërarchische koolstofbollen

Mao et al. ontwikkelde de hiërarchische koolstofbollen (HCS's) met een hoog oppervlak, hoge bolvorm en monodispergeerbaarheid door verschillende stappen, waaronder hydrothermische carbonisatiesynthese en activeringsmethoden voor chemische microgolven. Het team gebruikte scanning elektronenmicroscopie (SEM) om de effecten van de reactietemperatuur te begrijpen, reactietijd en celluloseconcentratie van het HCS. Ze merkten snelle cellulose-ontleding op tijdens hydrothermische temperatuurstijging om hydrothermische koolstoffen te genereren met een hogere mate van aromatisering. Na een optimale behandeling, Mao et al. verkregen geoptimaliseerde koolstofbollen met sferische structuur en een glad oppervlak zonder holle binnenkant. Met behulp van infrarood (IR) spectra, ze lieten zien hoe de cellulose- en koolstofbolletjes de aanwezigheid van veel functionele zuurstofgroepen op het oppervlak van het HCS aangaven. De cellulose onderging dehydratatie en aromatisering tijdens hydrothermische carbonisatie. Mao et al. gebruikte röntgendiffractie (XRD) -analyse om de XRD-patronen van cellulose en koolstofbollen te begrijpen om te laten zien hoe de resulterende koolstofmaterialen in een amorfe toestand bestonden.

Het team synthetiseerde vervolgens de grafeenoxide (GO) / hiërarchische koolstofbollen (HCS), gevolgd door scanning-elektronenmicroscopie-onderzoeken om de grafeen-nanobladen duidelijk te identificeren, die goed overeenkwamen met eerder werk. De HCS's behielden een bolvormige architectuur zonder duidelijke schade of gerimpelde texturen; de methode verhinderde de aggregatie van grafeen om met succes de nieuwe GO / HCS-composieten (grafeenoxide / hiërarchische koolstofbol) te fabriceren.

Ontwikkeling van hiërarchische nanoporeuze membranen (HNM's) en proof-of-concept:

Mao et al. gebruikte de depositiemethode van de doktersblad om hiërarchische nanoporeuze membranen (HNM's) te produceren met zeer veelzijdige, uniforme en vrijstaande membranen met nauwkeurig gecontroleerde dikte. 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. Als 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. Als voorbeeld, 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. Op deze manier, 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 Wetenschap X Netwerk