Des chercheurs développent un matériau de graphène poreux à piliers de fullerène avec une capacité d’adsorption d’eau élevée

Une équipe de chercheurs de l’Université de Chiba au Japon, dirigée par le professeur agrégé Tomonori Ohba et comprenant des étudiants à la maîtrise, M. Kai Haraguchi et M. Sogo Iwakami, a fabriqué du graphène poreux à piliers fullerène (FPPG) – un composite de carbone comprenant des nanocarbones – à l’aide d’un fond -up approche avec des structures de pores hautement concevables et contrôlables.

Les processus de séparation sont essentiels dans la purification et la concentration d’une molécule cible lors de la purification de l’eau, de l’élimination des polluants et du pompage de la chaleur. Pour rendre les processus de séparation plus économes en énergie, une amélioration de la conception des matériaux poreux est nécessaire. Les matériaux carbonés poreux offrent un avantage distinct car ils sont composés d’un seul type d’atome et ont été bien utilisés pour les procédés de séparation. Ils ont de grands volumes de pores et de grandes surfaces, offrant des performances élevées dans la séparation des gaz, la purification de l’eau et le stockage. Cependant, les structures de pores ont généralement une grande hétérogénéité avec une faible capacité de conception, ce qui pose divers défis, limitant l’applicabilité des matériaux carbonés dans la séparation et le stockage.

Les chercheurs ont fabriqué du FPPG sous la forme d’une structure sandwich fullerène-graphène-fullerène en ajoutant une solution de fullerène au graphène. Ils ont légèrement enduit la composition fullerène-graphène et l’ont laminée 1 à 10 fois. La nouvelle capacité de réglage de leur synthèse a permis un contrôle précis du remplissage de fullerène dans le graphène poreux.

Après avoir développé des structures FPPG avec différents taux de remplissage de fullerène, les chercheurs ont utilisé des techniques expérimentales et des simulations Monte Carlo canoniques pour étudier leurs propriétés d’adsorption de vapeur d’eau. Ils ont découvert que le graphène rempli à 4 % de fullerène n’adsorbait que légèrement la vapeur d’eau. Lors de l’augmentation du remplissage de fullerène à 5%, la quantité d’adsorption a encore diminué, en raison de l’effondrement des nanopores dans le graphène poreux laminaire. Cependant, l’augmentation du taux de remplissage à près de 25 % a donné un résultat surprenant. «Le FPPG avec 25 ± 8% de fullerène avait la plus grande capacité d’adsorption de vapeur d’eau à 40% d’humidité relative en raison de la production de grands nanopores uniformes», souligne le Dr Ohba.

L’augmentation supplémentaire du taux de remplissage du fullerène dans le FPPG, jusqu’à 50 % de fullerène, a diminué les capacités d’adsorption. Les simulations de Monte Carlo concordaient avec ces observations, révélant que la teneur excessive en fullerène réduisait les nanopores, ce qui, à son tour, empêchait la formation de grappes d’eau.

“La technique ascendante, ainsi que les structures de pores concevables et contrôlables du FPPG, peuvent faciliter le développement d’autres nouveaux matériaux qui amélioreraient considérablement les performances des processus de purification et de concentration des gaz et des liquides”, déclare le Dr Ohba. “Ceci, à son tour, réduirait considérablement les coûts de nombreux produits fabriqués via des procédés de séparation.”