Пористый графен с фуллереновыми столбиками и коэффициентом заполнения фуллеренами 25 ± 8% имел однородные нанопоры и наибольшую способность адсорбировать водяной пар при относительной влажности 40%, с потенциальными применениями в процессах очистки и концентрирования газов и жидкостей.
Фото: Томонори Охба из Университета Тиба.

Процессы разделения необходимы для очистки и концентрирования целевой молекулы при очистке воды, удалении загрязняющих веществ и откачке тепла, на которые приходится 10–15% мирового потребления энергии. Чтобы сделать процессы разделения более энергоэффективными, необходимо улучшить конструкцию пористых материалов. Это может резко снизить затраты на электроэнергию примерно на 40–70%. Основным подходом к улучшению эффективности разделения является точное управление структурой пор.

В этом отношении пористые углеродные материалы имеют явное преимущество, поскольку они состоят только из одного типа атомов и хорошо используются в процессах разделения. Они имеют большие объемы пор и площадь поверхности, что обеспечивает высокую производительность при газоразделении, очистке и хранении воды. Однако поровые структуры обычно имеют высокую неоднородность при низкой возможности проектирования. Это создает различные проблемы, ограничивающие применимость углеродных материалов для разделения и хранения.

Теперь группа исследователей из Японии под руководством доцента Томонори Охба из Университета Тиба, в которую входят студенты магистратуры г-н Кай Харагути и г-н Сого Иваками, изготовила пористый графен с фуллереновыми столбиками (FPPG) — углеродный композит, содержащий наноуглероды с использованием подхода «снизу вверх» с легко проектируемыми и контролируемыми структурами пор.

Они подробно описывают синтез, характеристики и свойства этого нового водопоглощающего материала в недавней статье, опубликованной в The Journal of Physical Chemistry C.

Исследователи изготовили FPPG в виде сэндвич-структуры фуллерен-графен-фуллерен, добавив к графену раствор фуллерена. Они слегка покрыли фуллерен-графеновую композицию и ламинировали ее 1–10 раз. Новые возможности настройки в их синтезе позволили точно контролировать заполнение фуллеренами пористого графена.

После разработки структур FPPG с различными коэффициентами заполнения фуллеренами исследователи использовали экспериментальные методы и большое каноническое моделирование методом Монте-Карло, чтобы исследовать их свойства адсорбции водяного пара. Они обнаружили, что графен, наполненный 4% фуллеренами, лишь немного адсорбирует водяной пар.

При увеличении заполнения фуллереном до 5 % величина адсорбции еще больше снижается из-за схлопывания нанопор в ламинарно-пористом графене. Однако увеличение коэффициента заполнения до 25% дало неожиданный результат. «FPPG с содержанием фуллерена 25 ± 8% обладает наибольшей способностью адсорбировать водяной пар при относительной влажности 40% благодаря образованию больших однородных нанопор», — говорит доктор Охба.

Дальнейшее увеличение степени заполнения фуллереном в FPPG до 50% фуллерена уменьшало адсорбционные способности. Моделирование Монте-Карло согласуется с этими наблюдениями, показывая, что избыточное содержание фуллерена уменьшает нанопоры, что, в свою очередь, предотвращает образование кластеров воды.

«Техника «снизу вверх» наряду с проектируемой и контролируемой структурой пор FPPG может способствовать разработке большего количества таких новых материалов, которые значительно улучшат производительность процессов очистки и концентрирования газов и жидкостей», — говорит доктор Охба. «Это, в свою очередь, значительно снизило бы стоимость многих продуктов, производимых с помощью процессов разделения».

Вместе новые пористые углероды, такие как FPPG, потенциально могут произвести революцию в приложениях для хранения и очистки, сделав их более энергоэффективными и рентабельными.