Fotografie delle membrane nanoporose gerarchiche create utilizzando un metodo di rivestimento con racla. UN, Fotografia di HNM di grandi dimensioni (10 × 10 cm2 ) fabbricato con un metodo doctor-blade. B, Fotografia di HNM indipendente e flessibile senza assenza di crepe. Credito fotografico:JT, Università di Stanford. Permesso accordato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Nel campo dei composti organici volatili, gli ossidi di grafene hanno attirato l'attenzione come materiali bidimensionali (2-D) con membrane nanoporose grazie alle loro proprietà architettoniche simili a setacci molecolari e alla semplicità funzionale adatta per l'idrogeno (H 2 ) adsorbimento. Tuttavia, l'accumulo di fogli di grafene può essere difficile a causa della loro bassa efficienza per applicazioni industriali a lungo termine. Di conseguenza, Haiyan Mao e un gruppo di ricerca presso l'Università della California Berkeley, La Stanford University e il Lawrence Berkeley National Lab negli Stati Uniti hanno progettato membrane nanoporose gerarchiche (HNM). Hanno progettato e sviluppato i costrutti combinando una classe di nanocompositi con una sfera di carbonio e ossido di grafene. Il team ha seguito la legge di Murray (un principio di ottimizzazione) per preparare le sfere gerarchiche di carbonio ad agire come distanziatori e adsorbenti, utilizzando l'attivazione chimica insieme al riscaldamento a microonde. Gli HNM contenevano micropori dominati da una combinazione di ultra-micropori e mesopori. Il lavoro può essere esteso ai settori ambientale ed energetico.
Architettura dei materiali per la separazione e lo stoccaggio di gas industriali .
La progettazione di materiali per la separazione e lo stoccaggio del gas può essere difficile a causa di obiettivi contrastanti. Per esempio, pori dell'ordine delle dimensioni molecolari sono necessari per discriminare i vari gas in base alle dimensioni, ma devono anche essere chimicamente funzionalizzati per facilitare la selettività chimica durante l'adsorbimento. Gli effetti capillari possono anche causare l'ostruzione nei pori stretti a causa di impurità e condensa di gas. Mao et al. ha quindi creato materiali gerarchici che combinavano eleganti nanofogli 2-D con sfere di carbonio sintetico per creare un "sandwich di polpette" in un processo di produzione facilmente scalabile. I materiali hanno eseguito con successo l'adsorbimento organico volatile e lo stoccaggio del gas idrogeno. La separazione e lo stoccaggio di gas industriali hanno una lunga storia in cui i materiali porosi, inclusi carbone attivo, zooliti e strutture metalliche organiche (MOF) hanno facilitato la rimozione di composti organici volatili e idrogeno immagazzinato, sebbene la loro limitata stabilità meccanica possa limitare le applicazioni a lungo termine. Mentre alcuni MOF hanno mostrato elevate prestazioni di adsorbimento di gas, la loro produzione su vasta scala è associata ad una maggiore fragilità.
Sfere di carbonio gerarchiche derivate dal legno (HCS). (A) Schema schematico del processo di fabbricazione della sfera di carbonio. (B) Schema schematico del processo di fabbricazione dell'HCS. (da C a E) Immagini SEM della cellulosa e delle sfere di carbonio. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Sfere di carbonio ingegnerizzate
Gli scienziati hanno quindi recentemente sviluppato sfere di carbonio con micro e mesosfere gerarchiche per applicazioni in presenza di composti organici volatili (VOC) e adsorbimento di idrogeno (H2) a causa della loro elevata sfericità, selettività, e porosità. Mao et al. trasformato queste sfere in membrane usando leganti, ma i costrutti erano suscettibili di costosi costi di produzione e instabilità meccaniche. Il team ha quindi assemblato strutture gerarchiche di membrane nanoporose (HNM) assemblando sfere di carbonio come distanziatori nanoporosi efficaci per migliorare il trasferimento di massa tra i piani attraverso la spaziatura espansa tra gli strati. Il team ha realizzato la carbonizzazione idrotermale della cellulosa a base di legno di pino mescolata con l'ossido di grafene (GO) per creare membrane basate su un metodo doctor-blade estremamente semplice. In genere, il metodo è ampiamente utilizzato per produrre film sottili in ampie aree superficiali, e gli HNM porosi risultanti contenevano micropori e mesopori.
Sfere di carbonio gerarchiche sperimentali
Confronto di un'illustrazione schematica delle membrane GO, membrane a sfera di carbonio, e membrane nanoporose gerarchiche (HNM). (A) Modello strutturale progettato di membrane di grafene impilate. (B) Modello di strati meccanicamente deboli di membrane a sfera di carbonio mediante leganti. (C) Modello della resistenza meccanica e dell'elevata capacità di adsorbimento degli HNM. Come confronto tra membrane GO e membrane a sfera di carbonio, i nostri HNM hanno unito i meriti delle membrane GO e della sfera di carbonio:in questa struttura a sandwich di polpette, le sfere di carbonio fungono da distanziatori e adsorbenti, precludendo l'agglomerato di GO. I fogli GO disperdono fisicamente le sfere di carbonio, garantendo stabilità meccanica. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Mao et al. sviluppato le sfere gerarchiche di carbonio (HCS) con elevata area superficiale, elevata sfericità e monodisperdibilità attraverso più passaggi, che includeva sintesi di carbonizzazione idrotermale e metodi di attivazione chimico-microonde. Il team ha utilizzato la microscopia elettronica a scansione (SEM) per comprendere gli effetti della temperatura di reazione, tempo di reazione e concentrazione di cellulosa dell'HCS. Hanno notato una rapida decomposizione della cellulosa durante l'aumento della temperatura idrotermale per generare carbonio idrotermale con un grado di aromatizzazione più elevato. Dopo un trattamento ottimale, Mao et al. ottenute sfere di carbonio ottimizzate con struttura sferica e superficie liscia senza interno cavo. Utilizzando spettri infrarossi (IR), hanno mostrato come le sfere di cellulosa e carbonio indicassero la presenza di molti gruppi funzionali dell'ossigeno sulla superficie dell'HCS. La cellulosa ha subito disidratazione e aromatizzazione durante la carbonizzazione idrotermale. Mao et al. ha utilizzato l'analisi della diffrazione dei raggi X (XRD) per comprendere i modelli XRD di cellulosa e sfere di carbonio per mostrare come i materiali di carbonio risultanti esistessero in uno stato amorfo.
Il team ha successivamente sintetizzato l'ossido di grafene (GO)/sfere gerarchiche di carbonio (HCS), seguito da indagini di microscopia elettronica a scansione per identificare distintamente i nanosheet di grafene, che erano in buon accordo con i lavori precedenti. Gli HCS hanno mantenuto un'architettura sferica senza danni evidenti o trame rugose; il metodo ha impedito l'aggregazione del grafene per fabbricare con successo i nuovi compositi GO/HCS (ossido di grafene/sfera gerarchica di carbonio).
Sviluppo di membrane nanoporose gerarchiche (HNM) e proof-of-concept:
Tecnica di rivestimento a lama di dottore per fabbricare HNM. (A) Illustrazione schematica del metodo di rivestimento della lama per formare HNM. (B) Fotografie di un HNM di grandi dimensioni (10 cm per 10 cm) fabbricato con il metodo della lama del dottore. (da C a F) Immagini SEM di HNM. (G e H) Immagini SEM del bordo della sezione trasversale di HNM. (I) spettri Raman di HCS, ANDARE, e HMN. La banda D corrisponde ai difetti e al disordine all'interno del carbonio derivato dal legno, mentre la banda G è dovuta allo stiramento nel piano del carbonio legato sp2. Credito fotografico:JT, Università di Stanford. Permesso accordato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Il composto organico volatile (VOC) e le prestazioni di adsorbimento di H2 di HNM. (A) Diagramma schematico del setup sperimentale per misurare l'adsorbimento di VOC. (B) Modello strutturale per l'adsorbimento di toluene e acetone. (C e D) Isoterme di adsorbimento di acetone e toluene e raccordo D-R. (E) Curve di svolta per acetone e toluene a 200 ppmv. (F) Capacità di adsorbimento di HNM e carboni attivi alla concentrazione in uscita di 200 ppmv. (G) Diagramma schematico dell'adsorbimento di H2. (H) Isoterme di adsorbimento di H2 di equilibrio a 77 K. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0694
Mao et al. ha utilizzato il metodo di deposizione doctor-blade per produrre membrane nanoporose gerarchiche (HNM) con altamente versatili, membrane uniformi e autoportanti con spessore controllato con precisione. Le strutture hanno mostrato un grado di corrugazione maggiore rispetto all'ossido di grafene puro; utile per la diffusione e l'assorbimento di composti organici volatili (VOC). 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. Come esempio, 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. In questo modo, 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 Scienza X Rete
