p No campo de compostos orgânicos voláteis, óxidos de grafeno têm chamado a atenção como materiais bidimensionais (2-D) com membranas nanoporosas devido às suas propriedades arquitetônicas semelhantes a peneira molecular e simplicidade funcional adequada para hidrogênio (H ₂ ) adsorção. No entanto, o acúmulo de folhas de grafeno pode ser um desafio devido à sua baixa eficiência para aplicações industriais de longo prazo. Como resultado, Haiyan Mao e uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia em Berkeley, A Stanford University e o Lawrence Berkeley National Lab nos EUA projetaram membranas nanoporosas hierárquicas (HNMs). Eles projetaram e desenvolveram as construções combinando uma classe de nanocompósitos com uma esfera de carbono e óxido de grafeno. A equipe seguiu a lei de Murray (um princípio de otimização) para preparar as esferas hierárquicas de carbono para atuar como espaçadores e adsorventes, usando ativação química juntamente com aquecimento por microondas. Os HNMs continham microporos dominados por uma combinação de ultra-microporos e mesoporos. O trabalho pode ser expandido em campos ambientais e de energia. p Arquitetura de materiais para separação e armazenamento de gás industrial .

p Projetar materiais para separação e armazenamento de gás pode ser um desafio devido a objetivos conflitantes. Por exemplo, poros da ordem de dimensões moleculares são necessários para discriminar vários gases com base no tamanho, mas também devem ser funcionalizados quimicamente para facilitar a seletividade química durante a adsorção. Os efeitos capilares também podem causar obstrução em poros estreitos devido a impurezas e condensação de gás. Mao et al. portanto, criou materiais hierárquicos que combinavam elegantes nanofolhas 2-D com esferas de carbono sintético para criar um "sanduíche de almôndega" em um processo de produção facilmente dimensionável. Os materiais realizaram adsorção orgânica volátil e armazenamento de gás hidrogênio com sucesso. A separação e armazenamento de gás industrial têm uma longa história em que materiais porosos, incluindo carvão ativado, zoolitas e estruturas metálicas orgânicas (MOFs) têm facilitado a remoção de compostos orgânicos voláteis e hidrogênio armazenado, embora sua estabilidade mecânica limitada possa restringir aplicações de longo prazo. Embora alguns MOFs tenham mostrado alto desempenho de adsorção de gás, sua produção em grandes áreas está associada a uma maior fragilidade.

p Esferas de carbono de engenharia

p Os cientistas desenvolveram recentemente esferas de carbono com micro e mesosferas hierárquicas para aplicações na presença de compostos orgânicos voláteis (VOCs) e adsorção de hidrogênio (H2) devido à sua alta esfericidade, seletividade, e porosidade. Mao et al. transformou essas esferas em membranas usando ligantes, mas as construções eram suscetíveis a custos de fabricação caros e instabilidades mecânicas. A equipe, portanto, montou estruturas de membrana nanoporosa hierárquica (HNM) por meio da montagem de esferas de carbono como espaçadores nanoporosos eficazes para melhorar a transferência de massa no plano cruzado por meio do espaçamento entre camadas expandido. A equipe elaborou a carbonização hidrotérmica de celulose à base de madeira de pinho misturada com óxido de grafeno (GO) para criar membranas com base em um método de lâmina raspadora extremamente simples. Geralmente, o método é amplamente utilizado para produzir filmes finos em grandes áreas de superfície, e os HNMs porosos resultantes continham microporos e mesoporos.

p Esferas de carbono hierárquicas experimentais

p Mao et al. desenvolveu as esferas hierárquicas de carbono (HCSs) com alta área de superfície, alta esfericidade e monodispersibilidade por meio de várias etapas, que incluiu a síntese de carbonização hidrotérmica e métodos de ativação química por microondas. A equipe usou microscopia eletrônica de varredura (SEM) para entender os efeitos da temperatura de reação, tempo de reação e concentração de celulose do HCS. Eles observaram a rápida decomposição da celulose durante o aumento da temperatura hidrotérmica para gerar carbonos hidrotérmicos com um grau mais alto de aromatização. Após o tratamento ideal, Mao et al. obteve esferas de carbono otimizadas com estrutura esférica e uma superfície lisa sem um interior oco. Usando espectros infravermelhos (IR), eles mostraram como as esferas de celulose e carbono indicavam a presença de muitos grupos funcionais de oxigênio na superfície do HCS. A celulose sofreu desidratação e aromatização durante a carbonização hidrotérmica. Mao et al. usou a análise de difração de raios-X (XRD) para entender os padrões de XRD de celulose e esferas de carbono para mostrar como os materiais de carbono resultantes existiam em um estado amorfo.

p A equipe posteriormente sintetizou o óxido de grafeno (GO) / esferas hierárquicas de carbono (HCS), seguido por investigações de microscopia eletrônica de varredura para identificar distintamente as nanofolhas de grafeno, que estavam de acordo com trabalhos anteriores. O HCSs manteve uma arquitetura esférica sem danos óbvios ou texturas enrugadas; o método evitou a agregação de grafeno para fabricar com sucesso os novos compostos GO / HCS (óxido de grafeno / esfera hierárquica de carbono).

p Desenvolvimento de membranas nanoporosas hierárquicas (HNMs) e prova de conceito:

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p Mao et al. usou o método de deposição de lâmina raspadora para produzir membranas nanoporosas hierárquicas (HNMs) com alta versatilidade, membranas uniformes e independentes com espessura precisamente controlada. The structures showed a higher degree of corrugation in comparison to pure graphene oxide; beneficial for volatile organic compound (VOC) diffusion and adsorption. 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. As an example, 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. Desta maneira, 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.

p 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. p © 2020 Science X Network