Исследователи разрабатывают пористый графеновый материал с фуллереновыми столбиками и высокой водопоглощающей способностью.

Группа исследователей из японского Университета Тиба под руководством доцента Томонори Оба, 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 дна. подход вверх с легко конструируемыми и контролируемыми структурами пор.

Процессы разделения необходимы для очистки и концентрирования целевой молекулы при очистке воды, удалении загрязняющих веществ и откачке тепла. Чтобы сделать процессы разделения более энергоэффективными, необходимо улучшить конструкцию пористых материалов. Пористые углеродные материалы имеют явное преимущество, поскольку они состоят только из атомов одного типа 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 структура пор, как правило, имеет высокую неоднородность при низкой технологичности, что создает различные проблемы, ограничивая применимость углеродных материалов для разделения и хранения.

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 % количество адсорбции еще больше уменьшилось 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», — подчеркивает 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» вместе 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 снизит стоимость многих продуктов, производимых с помощью процессов разделения».