石墨烯气凝胶支撑纳米颗粒实现高性能有机硫/高压CO2吸附!

石墨烯气凝胶是由三维石墨烯网络构成的海绵状材料,这种新型多孔材料具有巨大的技术前景。其独特的潜力是基于将剥落的石墨烯的纳米级特性与气凝胶材料的可调节宏观特性相结合,包括可控的孔隙率、大表面积、灵活的机械性能和超低密度。因此,基于石墨烯的气凝胶已在一系列技术中成功应用,包括环境修复、结构复合材料、生物材料、电子、传感器、能量存储等领域。另外,将无机纳米颗粒复合到石墨烯气凝胶中有望在现有技术中大幅提高气凝胶的性能。最近,基于石墨烯的气凝胶复合类水滑石化合物涌现了许多研究,具有可观的应用前景。类水滑石化合物,也称为层状双氢氧化物(LDH),是层状阴离子粘土,含有二价金属离子和三价金属离子。由于其灵活的化学组成和出色的原子金属分散性,LDH颗粒是功能性无机纳米颗粒的理想前体

英国利兹大学Robert Menzel和帝国理工学院Diana Iruretagoyena等人报道了氧化石墨烯(rGO)气凝胶在当前两种重要商业吸附的应用中,为水滑石衍生的纳米颗粒(MgAl-混合金属氧化物MgAl-MMO)提供了高度稳定的多功能多孔载体。与未负载的纳米颗粒粉末相比,气凝胶负载的MgAl-MMO纳米颗粒在吸附脱硫性能方面表现出显著增强,有机硫吸收能力增长大于100%。此外,在高温和高CO2压力下评估了该复合气凝胶的CO2吸附性能,其总CO2容量是无载体纳米颗粒的两倍以上,达到2.36 mmol·CO2 g−1 ads,优于其他高压CO2吸附剂。该研究以题为“Electrically Heatable Graphene Aerogels as Nanoparticle Supports in Adsorptive Desulfurization and High-Pressure CO2 Capture”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

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【复合气凝胶的制备】

为了在高负载量的rGO气凝胶上负载纳米颗粒,作者通过LDH修饰的GO聚合物辅助湿化学组装法制备了复合气凝胶。该气凝胶是由三个阶段合成的(图1)。第一阶段,将预先合成的LDH颗粒彻底分散在GO /聚合物水溶液中,带正电的LDH纳米粒子通过静电作用吸附到带负电的GO片上,从而在溶液中形成LDH修饰的GO纳米片。然后将水溶液倒入圆柱形模具,借助聚合物添加剂,形成LDH / GO水凝胶。第二阶段,将LDH / GO水凝胶单向冷冻,从而获得气凝胶中的大孔隙。第三阶段,将样品在还原性气氛中进行高温退火,得到最终的复合气凝胶。退火处理能去除聚合物添加剂,并促进共价交联,增强混合气凝胶的结构稳定性。此外,退火处理还可以恢复纳米碳骨架的石墨结晶度,使最终的复合气凝胶吸附剂具有导电性,因此可以实现电加热。

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图1 复合气凝胶的制备流程

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图2 复合气凝胶的表征

【有机硫吸附】

作者通过液相有机硫吸附实验评估了MgAl-MMO/rGO复合气凝胶,特别是从正辛烷溶液中吸附DBT(图3)。气凝胶负载的MgAl-MMO的DBT吸收量是无负载纳米颗粒的两倍(图3a),这与较大的表面积有关。同样,DBT吸附等温线(图3c)表明MgAl-MMO/rGO气凝胶的最大DBT吸收能力是无载体粉末的两倍(图3c)。此外,对于很难通过常规脱硫工艺除去的4,6-二甲基二苯并噻吩(4,6-DMDBT),该气凝胶的吸附容量也有较大的提高(提高了123%)。纯rGO气凝胶没有检测到DBT或DMDBT吸收,即rGO本身没有明显的有机硫吸附能力。因此,吸附性能的改善完全归因于颗粒在高表面积纳米碳骨架上的分散性增强以及由此产生的较高浓度的可吸附位点。除了吸附容量提升,MgAl-MMO/rGO气凝胶吸附剂还展现出显着的有机硫吸收速度,比无载体粉末快30倍以上(图3b)。

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图3 有机硫吸附性能评估

【高压CO2吸附】

作者研究了高温(300°C)下的CO2吸附(图4)。MgAl-MMO/rGO气凝胶的总CO2容量值为2.36 mmol·CO2 g-1 ads,明显优于其他固态CO2吸附剂(图4d)。与无载体粉末相比,该复合气凝胶在较宽的CO2压力范围内(0.2-10 bar)都能表现出可观的CO2容量,如高压CO2吸附等温线所示(图4b)。其容量增强在高压条件下尤为明显,8 bar时就比已经表现良好的无载体MgAl-MMO粉末高230%以上(图4b)。这种显著的增强很大程度上来自于改进的纳米颗粒分散性。其次,可能与气凝胶负载的吸附剂在高气压下抵抗颗粒被压实有关。在这种高压条件下,疏松的粉末吸附剂将经历明显的压实和孔塌陷,导致表面积减小。相比之下,复合气凝胶吸附剂中的交联纳米碳网络为颗粒压缩提供了机械支撑,从而允许在高气压下保持更好的吸附位点

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图4 高压CO2的吸附能力评估

总结:作者报道了一种简便的方法,通过LDH修饰的GO纳米片的聚合物辅助组装,在多孔rGO气凝胶载体上以高达20%的负载量支撑金属氧化物和金属纳米颗粒。该研究将LDH衍生的纳米颗粒负载在大孔气凝胶中,可显着改善其有机硫吸附特性。同时,气凝胶吸附剂具有出色的CO2吸附能力,最高可吸附2.36 mmol CO2 g-1 ads。气凝胶负载的MgAl-MMO在两个独立吸附应用中的出色性能清楚地证明了rGO气凝胶具有出色的稳定支持功能。LDH衍生的纳米颗粒在GO气凝胶上的可靠负载有效地抑制了吸附剂使用和再生过程中的纳米颗粒破坏和失活问题。

 

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002788

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