I processi di separazione sono essenziali nella purificazione e concentrazione di una molecola bersaglio durante la purificazione dell’acqua, la rimozione degli inquinanti e il pompaggio di calore, e rappresentano il 10-15% del consumo energetico globale. Per rendere i processi di separazione più efficienti dal punto di vista energetico, è necessario migliorare la progettazione dei materiali porosi. Ciò potrebbe ridurre drasticamente i costi energetici di circa il 40-70%. L'approccio principale per migliorare le prestazioni di separazione è controllare con precisione la struttura dei pori.

A questo proposito, i materiali porosi al carbonio offrono un netto vantaggio poiché sono composti da un solo tipo di atomo e sono stati ben utilizzati per i processi di separazione. Hanno volumi di pori e aree superficiali di grandi dimensioni, fornendo prestazioni elevate nella separazione del gas, nella purificazione dell'acqua e nello stoccaggio. Tuttavia, le strutture dei pori generalmente presentano un'elevata eterogeneità con una bassa progettabilità. Ciò pone varie sfide, limitando l'applicabilità dei materiali di carbonio nella separazione e nello stoccaggio.

Ora, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professore associato Tomonori Ohba dell'Università di Chiba e comprendente gli studenti del master, Kai Haraguchi e Sogo Iwakami, ha fabbricato grafene poroso con pilastri in fullerene (FPPG), un composito di carbonio comprendente nanocarburi. utilizzando un approccio dal basso verso l'alto con strutture dei pori altamente progettabili e controllabili.

Descrivono in dettaglio la sintesi, la caratterizzazione e le proprietà di questo nuovo materiale che assorbe l'acqua in un recente articolo pubblicato su The Journal of Physical Chemistry C .

I ricercatori hanno fabbricato FPPG sotto forma di una struttura sandwich fullerene-grafene-fullerene aggiungendo una soluzione di fullerene al grafene. Hanno rivestito leggermente la composizione fullerene-grafene e l'hanno laminata 1-10 volte. La nuova capacità di regolazione nella loro sintesi ha consentito un controllo preciso del riempimento del fullerene nel grafene poroso.

Dopo aver sviluppato strutture FPPG con diversi rapporti di riempimento del fullerene, i ricercatori hanno impiegato tecniche sperimentali e simulazioni Monte Carlo canoniche per studiarne le proprietà di adsorbimento del vapore acqueo. Hanno scoperto che il grafene riempito con fullerene al 4% assorbe solo leggermente il vapore acqueo.

Aumentando il riempimento del fullerene al 5%, la quantità di adsorbimento è diminuita ulteriormente, a causa del collasso dei nanopori nel grafene poroso laminare. Tuttavia, l’aumento del rapporto di riempimento vicino al 25% ha prodotto un risultato sorprendente. "FPPG con il 25 ± 8% di fullerene aveva la maggiore capacità di assorbimento del vapore acqueo al 40% di umidità relativa grazie alla produzione di grandi nanopori uniformi", afferma il dott. Ohba.

Un ulteriore aumento del rapporto di riempimento del fullerene nell'FPPG, fino al 50% di fullerene, ha ridotto le capacità di adsorbimento. Le simulazioni Monte Carlo concordavano con queste osservazioni, rivelando che il contenuto in eccesso di fullerene riduceva i nanopori, il che, a sua volta, impediva la formazione di ammassi d'acqua.

"La tecnica bottom-up, insieme alle strutture dei pori progettabili e controllabili dell'FPPG, può facilitare lo sviluppo di nuovi materiali che migliorerebbero considerevolmente le prestazioni dei processi di purificazione e concentrazione di gas e liquidi", afferma il dott. Ohba. "Ciò, a sua volta, ridurrebbe notevolmente i costi di numerosi prodotti fabbricati tramite processi di separazione."

Insieme, nuovi carboni porosi come FPPG potrebbero potenzialmente rivoluzionare le applicazioni di stoccaggio e purificazione, rendendole più efficienti dal punto di vista energetico ed economiche.

Ulteriori informazioni: Kai Haraguchi et al, Fabbricazione di grafene poroso con pilastri di fullerene e relativo adsorbimento di vapore acqueo, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394

Informazioni sul giornale: Giornale di chimica fisica C

Fornito dall'Università di Chiba