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 porosos de carbono 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. usando uma abordagem bottom-up 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 publicado no The Journal of Physical Chemistry C. .

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 enchimento de fulereno, os pesquisadores empregaram técnicas experimentais e simulações canônicas de Monte Carlo para investigar suas propriedades de adsorção de vapor d'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", diz o Dr.

Aumentar ainda mais a taxa de enchimento de fulereno no FPPG, até 50% de fulereno, 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", diz o Dr. “Isso, 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-os mais eficientes em termos energéticos e econômicos.

Mais informações: Kai Haraguchi et al, Fabricação de grafeno poroso com pilares de fulereno e sua adsorção de vapor de água, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c02394
Informações do diário: Jornal de Físico-Química C

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