Los procesos de separación son esenciales en la purificación y concentración de una molécula objetivo durante la purificación del agua, la eliminación de contaminantes y el bombeo de calor, y representan entre el 10% y el 15% del consumo mundial de energía. Para que los procesos de separación sean más eficientes energéticamente es necesaria una mejora en el diseño de materiales porosos. Esto podría reducir drásticamente los costos de energía entre un 40% y un 70%. El enfoque principal para mejorar el rendimiento de la separación es controlar con precisión la estructura de los poros.
En este sentido, los materiales de carbono porosos ofrecen una clara ventaja, ya que están compuestos de un solo tipo de átomo y se han utilizado bien en procesos de separación. Tienen grandes volúmenes de poros y áreas superficiales, lo que proporciona un alto rendimiento en la separación de gases, purificación de agua y almacenamiento. Sin embargo, las estructuras de poros generalmente tienen una alta heterogeneidad con baja designabilidad. Esto plantea varios desafíos, lo que limita la aplicabilidad de los materiales de carbono en la separación y el almacenamiento.
Ahora, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor asociado Tomonori Ohba de la Universidad de Chiba y que incluye a los estudiantes de maestría, Kai Haraguchi y Sogo Iwakami, ha fabricado grafeno poroso con pilares de fullereno (FPPG), un compuesto de carbono que comprende nanocarbonos. utilizando un enfoque ascendente con estructuras de poros altamente diseñables y controlables.
Detallan la síntesis, caracterización y propiedades de este novedoso material adsorbente de agua en un artículo reciente publicado en The Journal of Physical Chemistry C. .
Los investigadores fabricaron FPPG en forma de una estructura sándwich de fullereno-grafeno-fullereno añadiendo una solución de fullereno al grafeno. Recubrieron ligeramente la composición de fullereno y grafeno y la laminaron de 1 a 10 veces. La novedosa capacidad de ajuste en su síntesis permitió un control preciso del relleno de fullereno en el grafeno poroso.
Después de desarrollar estructuras de FPPG con diferentes proporciones de llenado de fullereno, los investigadores emplearon técnicas experimentales y grandes simulaciones canónicas de Monte Carlo para investigar sus propiedades de adsorción de vapor de agua. Descubrieron que el grafeno lleno de fullereno al 4 % solo adsorbía ligeramente el vapor de agua.
Al aumentar el relleno de fullereno al 5%, la cantidad de adsorción disminuyó aún más, debido al colapso de los nanoporos en el grafeno poroso laminar. Sin embargo, aumentar la tasa de llenado cerca del 25% arrojó un resultado sorprendente. "El FPPG con un 25 ± 8 % de fullereno tenía la mayor capacidad de adsorción de vapor de agua con un 40 % de humedad relativa debido a la producción de grandes nanoporos uniformes", afirma el Dr. Ohba.
El aumento adicional de la proporción de llenado de fullereno en FPPG, hasta un 50% de fullereno, disminuyó las capacidades de adsorción. Las simulaciones de Monte Carlo coincidieron con estas observaciones y revelaron que el exceso de contenido de fullereno redujo los nanoporos, lo que, a su vez, impidió la formación de acumulaciones de agua.
"La técnica ascendente, junto con estructuras de poros diseñables y controlables de FPPG, puede facilitar el desarrollo de más materiales novedosos que mejorarían considerablemente el rendimiento de los procesos de concentración y purificación de gases y líquidos", dice el Dr. Ohba. "Esto, a su vez, reduciría considerablemente los costes de numerosos productos fabricados mediante procesos de separación."
Juntos, nuevos carbonos porosos como el FPPG podrían revolucionar las aplicaciones de almacenamiento y purificación, haciéndolas más eficientes energéticamente y rentables.
Más información: Kai Haraguchi et al, Fabricación de grafeno poroso con pilares de fullereno y su adsorción de vapor de agua, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394
Información de la revista: Revista de Química Física C
Proporcionado por la Universidad de Chiba
