Fotografías de las membranas nanoporosas jerárquicas creadas mediante un método de recubrimiento con rasqueta. A, Fotografía de HNM de gran superficie (10 × 10 cm2) fabricada mediante un método de rasqueta. B, Fotografía de HNM autoportante y flexible sin ausencia de grietas. Crédito de la foto:J.T., Universidad Stanford. Permiso concedido. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0694
En el campo de los compuestos orgánicos volátiles, Los óxidos de grafeno han atraído la atención como materiales bidimensionales (2-D) con membranas nanoporosas debido a sus propiedades arquitectónicas similares a los tamices moleculares y la simplicidad funcional adecuada para el hidrógeno (H 2 ) adsorción. Sin embargo, la acumulación de láminas de grafeno puede ser un desafío debido a su baja eficiencia para aplicaciones industriales a largo plazo. Como resultado, Haiyan Mao y un equipo de investigación de la Universidad de California Berkeley, La Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los EE. UU. Diseñaron membranas nanoporosas jerárquicas (HNM). Diseñaron y desarrollaron las construcciones combinando una clase de nanocompuestos con una esfera de carbono y óxido de grafeno. El equipo siguió la ley de Murray (un principio de optimización) para preparar las esferas de carbono jerárquicas para que actúen como espaciadores y adsorbentes. utilizando activación química junto con el calentamiento por microondas. Los HNM contenían microporos dominados por una combinación de ultramicroporos y mesoporos. El trabajo se puede ampliar a los campos medioambiental y energético.
Arquitectura de materiales para la separación y el almacenamiento de gases industriales .
El diseño de materiales para la separación y el almacenamiento de gases puede resultar complicado debido a objetivos contradictorios. Por ejemplo, son necesarios poros del orden de dimensiones moleculares para discriminar varios gases en función del tamaño, pero también deben funcionalizarse químicamente para facilitar la selectividad química durante la adsorción. Los efectos capilares también pueden causar obstrucción en los poros estrechos debido a las impurezas y la condensación de gas. Mao y col. por lo tanto, creó materiales jerárquicos que combinaban elegantes nanohojas 2-D con esferas de carbono sintético para crear un "sándwich de albóndigas" en un proceso de producción fácilmente escalable. Los materiales realizaron con éxito la adsorción orgánica volátil y el almacenamiento de gas hidrógeno. La separación y el almacenamiento de gases industriales tienen una larga historia en la que los materiales porosos, incluido el carbón activado, Las zoolitas y las estructuras organometálicas (MOF) han facilitado la eliminación de compuestos orgánicos volátiles y el hidrógeno almacenado. aunque su estabilidad mecánica limitada puede restringir las aplicaciones a largo plazo. Si bien algunos MOF han mostrado un alto rendimiento de adsorción de gas, su producción de gran superficie está asociada con una mayor fragilidad.
Esferas de carbono jerárquicas derivadas de la madera (HCS). (A) Diagrama esquemático del proceso de fabricación de la esfera de carbono. (B) Diagrama esquemático del proceso de fabricación del HCS. (C a E) Imágenes SEM de celulosa y esferas de carbono. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0694
Esferas de carbono de ingeniería
Por lo tanto, los científicos habían desarrollado recientemente esferas de carbono con micro y mesosferas jerárquicas para aplicaciones en presencia de compuestos orgánicos volátiles (COV) y adsorción de hidrógeno (H2) debido a su alta esfericidad. selectividad, y porosidad. Mao y col. transformó estas esferas en membranas usando aglutinantes, pero las construcciones eran susceptibles a costosos costos de fabricación e inestabilidades mecánicas. Por lo tanto, el equipo ensambló estructuras jerárquicas de membrana nanoporosa (HNM) mediante el ensamblaje de esferas de carbono como espaciadores nanoporosos efectivos para mejorar la transferencia de masa entre planos a través del espaciado entre capas expandido. El equipo diseñó la carbonización hidrotermal de celulosa a base de madera de pino mezclada con óxido de grafeno (GO) para crear membranas basadas en un método extremadamente simple de cuchilla raspadora. Generalmente, el método se utiliza ampliamente para producir películas delgadas en grandes superficies, y los HNM porosos resultantes contenían microporos y mesoporos.
Esferas de carbono jerárquicas experimentales
Comparación de una ilustración esquemática de membranas GO, membranas de esfera de carbono, y membranas nanoporosas jerárquicas (HNM). (A) Modelo estructural diseñado de membranas de grafeno apiladas. (B) Modelo de capas mecánicamente débiles de membranas de esferas de carbono mediante ligantes. (C) Modelo de resistencia mecánica y alta capacidad de adsorción de HNM. Como comparación de las membranas GO y las membranas de esfera de carbono, Nuestros HNM combinaron los méritos de las membranas GO y de esfera de carbono:en esta estructura de sándwich de albóndigas, las esferas de carbono actúan como espaciadores y adsorbentes, excluyendo la aglomeración de GO. Las hojas GO dispersan físicamente las esferas de carbono, asegurando la estabilidad mecánica. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0694
Mao y col. desarrolló las esferas jerárquicas de carbono (HCS) con una gran superficie, alta esfericidad y monodispersibilidad a través de varios pasos, que incluía la síntesis de carbonización hidrotermal y métodos de activación química por microondas. El equipo utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM) para comprender los efectos de la temperatura de reacción, tiempo de reacción y concentración de celulosa del HCS. Observaron una rápida descomposición de la celulosa durante el aumento de la temperatura hidrotermal para generar carbonos hidrotermales con un mayor grado de aromatización. Después de un tratamiento óptimo, Mao y col. obtuvo esferas de carbono optimizadas con estructura esférica y una superficie lisa sin un interior hueco. Usando espectros infrarrojos (IR), mostraron cómo las esferas de celulosa y carbono indicaban la presencia de muchos grupos funcionales de oxígeno en la superficie del HCS. La celulosa sufrió deshidratación y aromatización durante la carbonización hidrotermal. Mao y col. utilizó el análisis de difracción de rayos X (XRD) para comprender los patrones de XRD de las esferas de celulosa y carbono para mostrar cómo los materiales de carbono resultantes existían en un estado amorfo.
Posteriormente, el equipo sintetizó el óxido de grafeno (GO) / esferas de carbono jerárquicas (HCS), seguido de investigaciones de microscopía electrónica de barrido para identificar claramente las nanohojas de grafeno, que estaban en buen acuerdo con el trabajo anterior. Los HCS conservaron una arquitectura esférica sin daños evidentes ni texturas arrugadas; El método evitó la agregación de grafeno para fabricar con éxito los nuevos compuestos GO / HCS (óxido de grafeno / esfera de carbono jerárquica).
Desarrollo de membranas nanoporosas jerárquicas (HNM) y prueba de concepto:
Técnica de recubrimiento con rasqueta para fabricar HNM. (A) Ilustración esquemática del método de recubrimiento de cuchillas para formar HNM. (B) Fotografías de un HNM de área grande (10 cm por 10 cm) fabricado por el método de la rasqueta. (C a F) Imágenes SEM de HNM. (G y H) Imágenes SEM del borde de la sección transversal de HNM. (I) Espectros Raman de HCS, IR, y HNM. La banda D corresponde a los defectos y desorden dentro del carbono derivado de la madera, mientras que la banda G se debe al estiramiento en el plano del carbono unido sp2. Crédito de la foto:J.T., Universidad Stanford. Permiso concedido. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0694
El compuesto orgánico volátil (COV) y el rendimiento de adsorción de H2 de HNM. (A) Diagrama esquemático de la configuración experimental para medir la adsorción de COV. (B) Modelo estructural para la adsorción de tolueno y acetona. (C y D) Isotermas de adsorción de acetona y tolueno y ajuste D-R. (E) Curvas de avance para acetona y tolueno a 200 ppmv. (F) Capacidades de adsorción de HNM y carbones activados a la concentración de salida de 200 ppmv. (G) Diagrama esquemático de la adsorción de H2. (H) Isotermas de adsorción de equilibrio H2 a 77 K. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0694
Mao y col. utilizó el método de deposición de la cuchilla raspadora para producir membranas nanoporosas jerárquicas (HNM) con una gran versatilidad, Membranas uniformes y autoportantes con espesor controlado con precisión. Las estructuras mostraron un mayor grado de corrugación en comparación con el óxido de grafeno puro; beneficioso para la difusión y adsorción de compuestos orgánicos volátiles (COV). Todos los resultados experimentales confirmaron el sencillo procedimiento de fabricación, large surface area and low cost of the starting materials used to develop HNMs as promising candidates for VOC and hydrogen storage. Como prueba de concepto, Mao et al recorded the adsorption performance of VOCs to understand the contribution of hierarchical structures and the mechanical stability of hierarchical nanopore membranes. Como ejemplo, with volatile compounds such as toluene and acetone, the adsorption capacities were comparable to other porous materials. A altas concentraciones, the adsorption capacity increased gradually. De este 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.
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