Die Fuller

Aug 08, 2023

Forscher stellen feuchtigkeitsabsorbierendes poröses Graphen mithilfe eines Bottom-up-Prozesses mit hoher Gestaltungs- und Kontrollierbarkeit der Porenstrukturen her

Chiba-Universität

Bild: Poröses Graphen mit Fullerensäulen und einem Fullerenfüllgrad von 25 ± 8 % hatte gleichmäßige Nanoporen und die größte Wasserdampfadsorptionskapazität bei 40 % relativer Luftfeuchtigkeit, mit potenziellen Anwendungen in der Reinigung und Konzentration von Gasen und Flüssigkeiten.mehr sehen

Bildnachweis: Tomonori Ohba von der Universität Chiba

Trennprozesse sind für die Reinigung und Konzentration eines Zielmoleküls bei der Wasserreinigung, der Entfernung von Schadstoffen und beim Wärmepumpen von wesentlicher Bedeutung und machen 10–15 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Um die Trennprozesse energieeffizienter zu gestalten, ist eine Verbesserung des Designs poröser Materialien erforderlich. Dadurch könnten die Energiekosten drastisch um etwa 40–70 % gesenkt werden. Der primäre Ansatz zur Verbesserung der Trennleistung besteht in der präzisen Steuerung der Porenstruktur. In dieser Hinsicht bieten poröse Kohlenstoffmaterialien einen entscheidenden Vorteil, da sie nur aus einer Atomsorte bestehen und für Trennprozesse häufig eingesetzt werden. Sie verfügen über große Porenvolumina und Oberflächen und bieten eine hohe Leistung bei der Gastrennung, Wasserreinigung und -speicherung. Porenstrukturen weisen jedoch im Allgemeinen eine hohe Heterogenität bei geringer Gestaltungsfähigkeit auf. Dies stellt verschiedene Herausforderungen dar und schränkt die Anwendbarkeit von Kohlenstoffmaterialien bei der Trennung und Speicherung ein. Jetzt hat ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Tomonori Ohba von der Chiba-Universität und zu dem auch die Masterstudenten Kai Haraguchi und Sogo Iwakami gehören stellte Fullerene-pillared Porous Graphen (FPPG) – einen Kohlenstoffverbundstoff aus Nanokohlenstoffen – mithilfe eines Bottom-up-Ansatzes mit hochgradig gestaltbaren und kontrollierbaren Porenstrukturen her. Sie beschreiben detailliert die Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften dieses neuartigen wasseradsorbierenden Materials in einem aktuellen Artikel, der am 16. Juni 2023 online verfügbar gemacht und am 29. Juni 2023 in Band 127, Ausgabe 25 des Journal of Physical Chemistry C veröffentlicht wurde. Die Forscher stellten FPPG in Form einer Fulleren-Graphen-Fulleren-Sandwichstruktur her, indem sie dem Graphen eine Fullerenlösung hinzufügten. Sie beschichteten die Fulleren-Graphen-Zusammensetzung leicht und laminierten sie ein- bis zehnmal. Die neuartige Abstimmungsfähigkeit ihrer Synthese ermöglichte eine präzise Steuerung der Fullerenfüllung in porösem Graphen. Nach der Entwicklung von FPPG-Strukturen mit unterschiedlichen Fullerenfüllungsverhältnissen verwendeten die Forscher experimentelle Techniken und großkanonische Monte-Carlo-Simulationen, um deren Wasserdampfadsorptionseigenschaften zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass 4 % Fulleren-gefülltes Graphen Wasserdampf nur geringfügig adsorbierte. Bei einer Erhöhung der Fullerenfüllung auf 5 % nahm die Adsorptionsmenge aufgrund des Zusammenbruchs der Nanoporen im laminaren porösen Graphen weiter ab. Eine Erhöhung des Füllgrades auf nahezu 25 % führte jedoch zu einem überraschenden Ergebnis. „FPPG mit 25 ± 8 % Fulleren hatte aufgrund der Produktion großer, gleichmäßiger Nanoporen die größte Wasserdampfadsorptionskapazität bei 40 % relativer Luftfeuchtigkeit“, betont Dr. Ohba. Eine weitere Erhöhung des Fulleren-Füllverhältnisses in FPPG auf bis zu 50 % Fulleren. verminderte die Adsorptionsfähigkeit. Die Monte-Carlo-Simulationen stimmten mit diesen Beobachtungen überein und zeigten, dass der überschüssige Fullerengehalt die Nanoporen reduzierte, was wiederum die Bildung von Wasserclustern verhinderte. „Die Bottom-up-Technik kann zusammen mit gestaltbaren und kontrollierbaren Porenstrukturen von FPPG die Entwicklung erleichtern.“ „Es gibt weitere solcher neuartigen Materialien, die die Leistung von Gas- und Flüssigkeitsreinigungs- und Konzentrationsprozessen erheblich verbessern würden“, spekuliert ein optimistischer Dr. Ohba. „Dies wiederum würde die Kosten zahlreicher über Trennverfahren hergestellter Produkte erheblich senken.“ Zusammengenommen könnten neuartige poröse Kohlenstoffe wie FPPG möglicherweise Speicher- und Reinigungsanwendungen revolutionieren und sie energieeffizienter und kostengünstiger machen.UmAußerordentlicher Professor Tomonori Ohba Tomonori Ohba ist außerordentlicher Professor und Direktor der Ohba-Forschungsgruppe am Fachbereich Chemie der Graduate School of Science der Chiba-Universität in Japan. Er arbeitet hauptsächlich auf dem Gebiet der physikalischen Chemie mit dem Forschungsziel, chemische Phänomene auf nanomolekularer Ebene durch den Einsatz theoretischer und experimenteller Methoden aufzuklären. Er erforscht außerdem Nanoräume, um molekulare Bewegungen zu steuern, molekulares Verhalten zu untersuchen und neue molekulare Reaktivitäten zu entdecken. Seine umfangreichen Forschungsarbeiten, die in zahlreichen renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, wurden mehr als 5.000 Mal zitiert.

Das Journal of Physical Chemistry C

10.1021/acs.jpcc.3c02394

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Herstellung von porösem Graphen mit Fullerensäulen und dessen Wasserdampfadsorption

29.06.2023

Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen

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