Os fullers

Aug 08, 2023

Pesquisadores fabricam grafeno poroso absorvente de umidade usando um processo bottom-up, com alta capacidade de design e controlabilidade de estruturas de poros

Universidade de Chiba

imagem: O grafeno poroso com pilares de fulereno com taxa de enchimento de fulereno de 25 ± 8% apresentou nanoporos uniformes e a maior capacidade de adsorção de vapor de água a 40% de umidade relativa, com aplicações potenciais em processos de purificação e concentração de gases e líquidos.Veja mais

Crédito: Tomonori Ohba da Universidade de Chiba

Os processos de separação são essenciais na purificação e concentração de uma molécula alvo durante a purificação da água, remoção de poluentes e bombeamento de calor, representando 10–15% do consumo global de energia. Para tornar os processos de separação mais eficientes energeticamente, é necessária melhoria no design de materiais porosos. Isto poderia reduzir drasticamente os custos de energia em cerca de 40–70%. A principal abordagem para melhorar o desempenho da separação é controlar com precisão a estrutura dos poros. Nesse sentido, os materiais de carbono porosos oferecem uma vantagem distinta, pois são compostos de apenas um tipo de átomo e têm sido bem utilizados em processos de separação. Eles possuem grandes volumes de poros e áreas de superfície, proporcionando alto desempenho na separação de gases, purificação de água e armazenamento. No entanto, as estruturas de poros geralmente apresentam alta heterogeneidade com baixa designabilidade. Isto apresenta vários desafios, limitando a aplicabilidade de materiais de carbono na separação e armazenamento. Agora, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Professor Associado Tomonori Ohba da Universidade de Chiba e incluindo alunos de mestrado, Sr. fabricou grafeno poroso com pilares de fulereno (FPPG) - um composto de carbono composto por nanocarbonos - usando uma abordagem de baixo para cima com estruturas de poros altamente projetáveis ​​​​e controláveis. Eles detalham a síntese, caracterização e propriedades deste novo material adsorvente de água em um artigo recente disponibilizado online em 16 de junho de 2023 e publicado no Volume 127, Edição 25 do The Journal of Physical Chemistry C em 29 de junho de 2023. Os pesquisadores fabricaram FPPG na forma de uma estrutura sanduíche de fulereno-grafeno-fulereno, adicionando uma solução de fulereno ao grafeno. Eles revestiram levemente a composição de fulereno-grafeno e a laminaram de 1 a 10 vezes. A nova capacidade de ajuste em sua síntese permitiu o controle preciso do preenchimento de fulereno no grafeno poroso. Depois de desenvolver estruturas FPPG com diferentes taxas de preenchimento de fulereno, os pesquisadores empregaram técnicas experimentais e simulações canônicas de Monte Carlo para investigar suas propriedades de adsorção de vapor de água. Eles descobriram que 4% de grafeno cheio de fulereno adsorvia apenas ligeiramente o vapor de água. Ao aumentar o enchimento de fulereno para 5%, a quantidade de adsorção diminuiu ainda mais, devido ao colapso dos nanoporos no grafeno poroso laminar. No entanto, aumentar a taxa de enchimento para perto de 25% produziu um resultado surpreendente. “FPPG com 25 ± 8% de fulereno teve a maior capacidade de adsorção de vapor de água a 40% de umidade relativa devido à produção de grandes nanoporos uniformes”, destaca o Dr. Ohba. diminuiu as capacidades de adsorção. As simulações de Monte Carlo concordaram com estas observações, revelando que o excesso de conteúdo de fulereno reduziu os nanoporos, o que, por sua vez, impediu a formação de aglomerados de água. “A técnica bottom-up, juntamente com estruturas de poros projetáveis ​​e controláveis ​​de FPPG, pode facilitar o desenvolvimento de mais materiais novos que melhorariam consideravelmente o desempenho dos processos de purificação e concentração de gases e líquidos”, especula o otimista Dr. “Isto, por sua vez, reduziria consideravelmente os custos de numerosos produtos fabricados através de processos de separação.” Juntos, novos carbonos porosos, como o FPPG, poderiam revolucionar potencialmente as aplicações de armazenamento e purificação, tornando-as mais eficientes em termos energéticos e rentáveis.