查看: 426|回复: 0

《先进材料》:石墨烯变身“钢铁烯”,氮气分离选择性提高100倍

[复制链接]

525

主题

525

帖子

1805

积分

金牌会员

Rank: 6Rank: 6

积分
1805
发表于 2020-4-7 18:38:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
采用膜技术进行气体分离具有能耗低、设备占地面积小的特点,在工业领域应用广泛,其中渗透率和选择性是评价气体分离性能的主要指标。

基于氧化石墨烯的气体分离膜兼具高渗透性和高选择性的优点,受到研究者的青睐。有研究表明利用石墨烯的固有缺陷制备的膜材料,对H2/CO2的选择性超过3400。

虽然石墨烯基膜材料很擅长从较大的气体分子中分离出小分子,但是当两种气体分子体积差不多时,分离性能就差强人意了,比如N2/CO2的分离。

成果介绍

基于以上分析,新南威尔士大学Rakesh Joshi教授课题组将Fe元素引入到石墨烯薄膜中,通过调节石墨烯片层的层间距,制备出金属插层的氧化石墨烯气体分离膜,发现在1 bar、77 K的条件下,Fe-rGOM膜的N2吸收性达到47.5 cm3·mg-1,是未插层rGO的8倍,对N2/CO2混合气体中的N2选择性更是达到惊人的97,是已有研究结果的100倍。

202004071142012619.jpg

202004071142012619.jpg



金属插层的rGO膜的制备

202004071142015519.jpg

202004071142015519.jpg


图1.金属离子插层的rGO膜的制备过程。

为了制备出金属插层的rGO膜,研究者首先采用改良的Hummer方法制备出rGO。然后将干燥的rGO粉末与乙醇、FeCl3或CrCl3混合,将混合溶液在80℃下加热48小时,随后超声处理2小时,并在2000 rpm下离心30分钟,得到均匀的rGO-乙醇悬浮溶液。将rGO-乙醇溶液在聚偏二氟乙烯基材上真空过滤,得到金属插层rGO膜。

金属插层的rGO膜的表征

202004071142017521.jpg

202004071142017521.jpg


图2. 金属插层的rGO膜的表征。 Fe-rGO膜的TEM图像,比例尺为500nm;碳,氧和铁的TEM-EDX图像,比例尺为50 nm;中选定区域的TEM-EDX谱图;Fe-rGOM、Cr/rGOM、rGOM和GOM的XPS光谱。

研究者采用透射电子显微镜和能量色散X射线光谱仪对Fe-rGO薄膜进行表征,研究了薄膜的微观形态以及Fe的分布状态,发现Fe元素在基质中分布均匀,与Fe-rGO相比,Cr-rGO中的Cr元素要少很多。研究者采用密度泛函理论计算发现,这是由于Fe在石墨烯上的吸附在能量更为有利造成的。

金属插层的rGO膜等温吸附性能研究

202004071142021662.jpg

202004071142021662.jpg


图3. Fe-rGOM膜的气体吸附性能研究。Fe-rGOM、rGOM Zeolite 13X和Zeolite 5A在77K时的N2吸附等温线;Fe-rGOM在273K时的N2和CO2吸附等温线;Fe-rGOM的重量吸附等温线;理想吸附溶液理论计算了Fe-rGOM、rGOM和GOM的N2/CO2吸附选择性,计算时CO2/N2体积比为1/3。

为了研究金属离子的插层对石墨烯薄膜气体吸附性能的影响,研究者进行了等温吸附实验,并与rGO膜、5A沸石和13X沸石进行了比较。发现在1 bar、77 K的条件下,Fe-rGO膜表现出最高的N2吸收性,优于rGOM的6.77  cm3·mg-1,5A沸石的26.9  cm3·mg-1和13X沸石的20.2  cm3·mg-1。在沸石材料中N2表现出I型吸附特征,而在rGOM和Fe-rGOM中则表现出III型吸附特征,Fe更是成为N2吸附的活性位。这些结果表明,将铁掺入rGO可以有效提高N2吸附能力。

Fe-rGOM膜气体分离性能研究

202004071142024357.jpg

202004071142024357.jpg


图4. rGO膜的气体分离性能研究。将本文的Fe-rGO膜与文献中的结果进行比较;N2渗透率和N2/CO2选择性随Fe元素含量的变化曲线;不同Fe元素含量的Fe-rGOM膜的吸附选择性和扩散选择性;Fe-rGOM、rGOM和GOM的N2/CO2选择性和N2渗透率随跨膜压差的变化曲线;在330 mbar下,N2/CO2分离性能与温度的关系;在1100 mbar下,N2/CO2分离性能与温度的关系。

研究者研究了Fe-rGOM膜对CO2/N2混合气体中N2的渗透率和选择性的影响。发现Fe-rGO膜在330 mbar的跨膜压差和室温下表现出优异的N2渗透性和N2/CO2选择性,与多数研究结果相比,本文制备的Fe-rGOM膜对N2选择性提高了100倍。当薄膜中Fe元素含量为2.26%时,N2渗透率和N2/CO2的选择性最佳。

随着TMP的增加,N2渗透性随之提高,但是N2/CO2的选择性下降,研究者认为这种变化是由于随着TMP的增加,气体传输模式从溶液扩散变为Knudsen扩散造成的。

研究者在TMP为330和1100 mbar时,研究了N2渗透性和N2/CO2选择性随温度的变化。发现Fe-rGOM膜在330 mbar、室温下,N2/CO2选择性为67,N2渗透率高达1317GPU,但是在较高温度下,性能则显著下降。

202004071142027043.jpg

202004071142027043.jpg


图5. Fe-rGO膜中的气体扩散过程。CO2和N2通过膜的吸附和扩散系数,其中吸附系数是通过压力衰减吸附实验得到,扩散系数则是通过溶液扩散模型得到;)CO2和N2透过膜的吸附焓和活化能;DFT计算了第一和第二气体分子在Fe活性位上的吸附能;从Maxwell-Stefan模型获得的扩散系数和Knudsen扩散系数。

假设N2通过Fe-rGOM的扩散为溶液扩散,研究者计算了Fe-rGOM膜中N2和CO2渗透的活化焓,发现在312至345 K、330 mbar下,N2和CO2的吸附和扩散系数随温度的升高而增加。

为了进一步研究N2与Fe-rGOM的亲和性,研究者对锚定在石墨烯上的Fe与N2和CO2的分子吸附进行了计算模拟,发现无论是N2还是CO2,单个分子的吸附在能量上都是有利的,但是吸附第二个CO2分子在能量上非常不利,而如果第二个分子是N2时,在能量上又变的有利。因此,Fe-rGOM对N2的选择性吸附能力更强。

小结

为了实现N2/CO2混合气体中N2的高效膜分离,新南威尔士大学Rakesh Joshi教授课题组制备出一种Fe插层的rGO薄膜材料,通过对Fe元素插层浓度的控制,实现了调整rGO层间距的目的,发现Fe-rGOM具有优异的N2吸附性:在1 bar、77 K的条件下,Fe-rGO膜的N2吸收性达到47.5 cm3·mg-1,优于rGOM的6.77 cm3·mg-1,而商业中广泛应用的5A和13X沸石的N2吸收性仅为26.9和20.2 cm3·mg-1。铁的掺入显著提高了rGO膜的N2选择性,对N2/CO2混合气体中的N2选择性高达97,是已有研究结果的100倍。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907580

2019111215082077110.png

2019111215082077110.png

     
    “本文由新材料在线平台入驻媒体号高分子科学前沿提供,观点仅代表作者本人,不代表新材料在线立场。本站只提供参考并不构成任何投资及应用建议。本站拥有对此声明的最终解释权。”


sao.png

sao.png

分享到:

    收藏本文
          相关阅读      
      新材料在线IT服务,助力材料企业“数字…2020新基建火了,5G陶瓷介质滤波器大爆…【2020】超全面新材料行业报告、供应商…【2020版】一张图看懂汽车产业链及其10…100大产业链全全全全全全全全全景图超级干货!1.51G、117个文件,这份「新…一张图看懂5G产业链及10大关键材料决定汽车绿色发展的8大新材料!一张图看懂半导体产业链全国24所最顶尖的材料学院都在这里了,…轨道交通大讲堂第六期丨激光焊接在轨道…亚士创能:拟4亿元投建防水材料制造基地…      
      
   
          点击排行       重磅!深圳出台可持续发展规划 关注核心…    碳碳复合材料发展的社会必要性    一次性医用口罩、棉布口罩、N95口罩 哪…    iPhone11三机入手,苹果发布会没有告诉…    100大产业链全全全全全全全全全景图    一张图看懂半导体产业链    狙击5G,华为、小米正面厮杀!一图看懂…    必收藏|2017年中国新材料上市公司大汇总…    2500+页高清版行业资料,绝对精品,建议…    国内高性能纤维企业有哪些,看这篇文章…    全球限量500本!珍藏版材料百科全书重磅…    十四五,新材料产业发展规划专题      
   
   

xclx.jpg

xclx.jpg

   
      
   
                       合作伙伴:    深圳市金菱通達電子有限公司  北京中科纳通电子技术有限公司  宁波杭州湾新区  台一盈拓  国投创新投资管理有限公司  信达证券股份有限公司  华科创智  迈科技MetaLab  常州市医疗器械行业协会  重庆材料研究院  山东鹏程特陶  中国石油和化学工业联合会  上海市经济和信息化委员会  湖南久泰冶金科技有限公司  中国化学与物理电源行业协会  苏州纳米城  常州西太湖科技产业园  上海市工业综合开发区  吉林经济技术开发区  湖南华曙高科技有限责任公司  媒体:     CPRJ雅式橡胶  materials views 中国  友情链接:     C114通信网   寻材问料   云工厂   海尔开放创新平台   全球塑料网   汽车材料网   电子发烧友   中国有色网   哈尔滨工业大学   哈尔滨工业大学   掌工知   证券日报   第十届中国汽车技术展   国家级伊宁经济边境合作区   新能源汽车   银邦股份   一览电池   电池中国网   Matmatch   中国材料研究学会   非晶节能材料产业技术创新战略联盟   粉末冶金产业技术创新战略联盟   中国材料研究学会   材料表面处理在线   环球聚氨酯网   全球弹性体产业门户   OFweek半导体照明网   慧聪塑料网   买塑网   柠檬豆   大易有塑   中国科学院   中国LED在线   模切之家   国外塑料网   中国电子材料网   中国胶粘剂网   中国聚合物网   中国化工网   汽车轻量化在线   Nhzy资讯   宇辰网   和氏璧化工   医疗器械创新网   OFweek照明网   富贸商城   找塑料网   天天化工网   新世纪led网   中国新材料产业技术创新联盟   中国塑木网   材料仪器网   OFweek照明网   新浪财经   旺材头条   清研车联网   点通智库  
      
            返回主页    |
回复

使用道具 举报

PEEK板棒行业资讯推荐
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则