Yüksek Verimli Adsorpsiyon ve Depolama Uygulamaları için Hiyerarşik Nano-Gözenekli Membranların Tasarlanması
Uçucu organik bileşiklerden (VOC) olan grafen oksitler (GO), moleküler yapıları ve hidrojen (H2) adsorpsiyonu için uygun foksiyonlara sahip olmaları nedeniyle nano-gözenekli membranları olan iki boyutlu (2-D) malzemeler olarak dikkatleri çekmiştir.Ancak,grafen levhaların birikimi düşük verimlilikleri nedeni ile uzun vadeli endüstriyel uygulamalar için zor olabilir.Bu duruma karşılık,Haiyan Mao ve California Berkeley Üniversitesi, Stanford Üniversitesi, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırma ekipleri hiyerarşik nano-gözenekli membranları (HNM) tasarladı.Grafen oksit (GO) ve karbon küre ile nanokompozit sınıfını birleştirerek yapıları geliştirdiler.Bu ekip, mikrodalga ısıtmanın yanı sıra kimyasal aktivasyonu kullanarak ara levha ve adsorban görevi görecek hiyerarşik karbon kürelerini Murray Yasası’nın optimizasyon prensiplerini takip ederek hazırladı.
Bilim adamları son zamanlarda küresellikleri,gözeneklilikleri ve seçicilik özelliklerinden dolayı uçucu organik bileşiklerin (VOC) ve hidrojen (H2) adsorpsiyonunun varlığındaki uygulamalar için hiyerarşik mikro ve mezosferlere sahip karbon küreleri geliştirdiler.Daha sonra bu küreler,bağlayıcılar kullanılarak membranlara dönüştürüldü.Ancak,yapılar mekanik istikrarsızlıklara ve pahalı üretim maliyetlerine duyarlıdır.Bu nedenle ekip, düzlemler arası kütle transferini iyileştirmek için nano-gözenekli ayırıcılar olarak karbon küreleri bir araya getirdi ve hiyerarşik nano-gözenekli membran (HNM) yapılarını oluşturdular.Ekip,son derece basit bir sıyırma metoduna bağlı olarak membranlar oluşturmak için grafen oksit (GO) ile karıştırılmış çam ağacı bazlı selülozdan hidrotermal kombinizasyon elde etti.Genel olarak bu method, geniş yüzey alanlarında ince filmler üretmek için kullanılır ve ortaya çıkan hiyerarşik nano-gözenekli membranlar (HNM) mikro ve mezo gözenekler içerir.
Fotoğraf-1 : Ahşaptan Türetilmiş Hiyerarşik Karbon Küreler (HCS) A)Karbon Kürelerin Üretim Sürecindeki Şematik Diyagram B)Hiyerarşik Karbon Kürelerin Üretim Sürecindeki Şematik Diyagram C-E)SEM Görüntüleri
Hidrotermal kombinizasyon sentezi ve kimyasal-mikrodalga aktivizasyon metodlarını içeren çeşitli adımlarla yüksek yüzey alanı, yüksek küresellik ve tek dağılımlı hiyerarşik karbon küreleri(HCS) geliştirildi.Reaksiyon sıcaklığı,reaksiyon süresi ve selüloz konsantrasyonunun HCS üzerindeki etkilerini anlamak için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanıldı.Hidrotermal sıcaklık artışı sırasında hızlı selüloz ayrışmasının, daha yüksek derecede aromatizasyona sahip hidrotermal karbonlar oluşturduğu belirtilmiştir.Optimal yaklaşımdan sonra,küresel yapıya sahip optimize edilmiş karbon küreler ve pürüzsüz bir yüzey elde edildi.Selüloz,hidrotermal karbonizasyon sırasında dehidrasyona ve aromatizasyona uğradı.
Fotoğraf-2 : GO,CS,HN Membranların Şematik Gösterimi A)Yığılmış Grafen Membranların Yapısal Modeli B)Mekanik Olarak Zayıf Karbon Küre Membranlar C)HNM Mekanik Mukavemet ve Yüksek Adsorpsiyon Kapasite Modeli
Kontrol edilebilir kalınlığa sahip, çok yönlü,tek tip ve bağımsız hiyerarşik nano-gözenekli membranlar (HNM) üretmek için ‘doctor-blade’ biriktirme yöntemi kullanıldı.Yapılar,saf grafen oksitlere (GO) kıyasla daha yüksek derecede dalgalanma gösterdi.Bu durum uçucu organik bileşik (VOC) difüzyonu ve adsorpsiyonu için faydalıdır.Tüm deneysel sonuçlar, VOC ve hidrojen (H2) depolamada umut vadeden adaylar olarak hiyerarşik nano-gözenekli membranları (HNM) geliştirmek için kolay üretim prosedürünü, geniş yüzey alanını ve düşük maliyetli başlangıç malzemelerini doğruladı.Bu kavramın kanıtı olarak, hiyerarşik nano-gözenekli membranların (HNM) mekanik kararlılığını ve hiyerarşik yapıların katkısını anlamak için uçucu organik bileşiklerin (VOC) adsorpsiyon performansları kaydedildi.Örnek olarak,toluen ve aseton gibi uçucu bileşiklerin adsorpsiyon kapasiteleri diğer gözenekli bileşiklerle karşılaştırıldı.Yüksek konsantrasyonlarda adsorpsiyon kapasitesi kademeli olarak artmıştır.Bu şekilde,son derece iyi gelişmiş mikro gözenekler toluen/aseton moleküllerini verimli ve hızlı bir şekilde adsorbe etti.Sonuçlar, uçucu organik bileşik (VOC) ortamında,düşük konsantrasyonda, umut vadeden adsorpsiyon performansı gösterdi.
Fotoğraf-3,4 : VOC ve H2 Adsorpsiyon Performansı A) VOC Adsorpsiyonunu Ölçmek İçin Deney Düzeneği B)Toluen ve Aseton Adsorpsiyonu İçin Yapısal Model
Kaynak : phys.org
