Scheidingsprocessen zijn essentieel bij de zuivering en concentratie van een doelmolecuul tijdens waterzuivering, verwijdering van verontreinigende stoffen en warmtepompen, goed voor 10-15% van het mondiale energieverbruik. Om de scheidingsprocessen energiezuiniger te maken, is verbetering van het ontwerp van poreuze materialen noodzakelijk. Dit zou de energiekosten drastisch kunnen verlagen met ongeveer 40-70%. De primaire benadering voor het verbeteren van de scheidingsprestaties is het nauwkeurig controleren van de poriënstructuur.

In dit opzicht bieden poreuze koolstofmaterialen een duidelijk voordeel, omdat ze uit slechts één type atoom bestaan ​​en goed worden gebruikt voor scheidingsprocessen. Ze hebben grote poriënvolumes en oppervlaktegebieden en leveren hoge prestaties bij gasscheiding, waterzuivering en opslag. Poriënstructuren hebben echter over het algemeen een hoge heterogeniteit met een lage ontwerpbaarheid. Dit brengt verschillende uitdagingen met zich mee, waardoor de toepasbaarheid van koolstofmaterialen bij scheiding en opslag wordt beperkt.

Nu heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Tomonori Ohba van de Chiba Universiteit en met onder meer masterstudenten de heer Kai Haraguchi en de heer Sogo Iwakami, poreus grafeen met volledige eren-pilaren (FPPG) vervaardigd – een koolstofcomposiet bestaande uit nanokoolstoffen – gebruikmakend van een bottom-up benadering met zeer ontwerpbare en controleerbare poriestructuren.

Ze beschrijven de synthese, karakterisering en eigenschappen van dit nieuwe wateradsorberende materiaal in een recent artikel gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C .

De onderzoekers vervaardigden FPPG in de vorm van een fullereen-grafeen-fullereen sandwichstructuur door een fullereenoplossing aan grafeen toe te voegen. Ze bedekten de fullereen-grafeensamenstelling lichtjes en lamineerden deze 1 tot 10 keer. De nieuwe afstemmingsmogelijkheden bij hun synthese maakten nauwkeurige controle mogelijk van de fullereenvulling in poreus grafeen.

Na het ontwikkelen van FPPG-structuren met verschillende fullereenvulverhoudingen, gebruikten de onderzoekers experimentele technieken en grote canonieke Monte Carlo-simulaties om hun waterdampadsorptie-eigenschappen te onderzoeken. Ze ontdekten dat 4% met fullereen gevuld grafeen de waterdamp slechts in geringe mate absorbeerde.

Bij het verhogen van de fullereenvulling tot 5% nam de adsorptiehoeveelheid verder af, als gevolg van het instorten van nanoporiën in het laminaire poreuze grafeen. Het verhogen van de vullingsgraad tot bijna 25% leverde echter een verrassend resultaat op. "FPPG met 25 ± 8% fullereen had de grootste waterdampadsorptiecapaciteit bij een relatieve vochtigheid van 40% dankzij de productie van grote uniforme nanoporiën", zegt Dr. Ohba.

Het verder verhogen van de fullereenvulverhouding in FPPG, tot 50% fullereen, verminderde het adsorptievermogen. De Monte Carlo-simulaties kwamen overeen met deze waarnemingen en onthulden dat het overtollige fullereengehalte de nanoporiën verminderde, wat op zijn beurt de vorming van waterclusters verhinderde.

"De bottom-up-techniek, samen met de ontwerpbare en controleerbare poriestructuren van FPPG, kan de ontwikkeling van meer van dergelijke nieuwe materialen vergemakkelijken die de prestaties van gas- en vloeistofzuiverings- en concentratieprocessen aanzienlijk zouden verbeteren", zegt Dr. Ohba. "Dit zou op zijn beurt de kosten van talrijke producten die via scheidingsprocessen worden vervaardigd aanzienlijk verlagen."

Samen kunnen nieuwe poreuze koolstofsoorten zoals FPPG een revolutie teweegbrengen in opslag- en zuiveringstoepassingen, waardoor ze energie-efficiënter en kosteneffectiever worden.

Meer informatie: Kai Haraguchi et al., Fabricage van poreus grafeen met fullerenenpilaren en de waterdampadsorptie ervan, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry C

Aangeboden door Chiba Universiteit