Ανάπτυξη αργιολοφωσφορικών μοριακών ηθμών, μεμβρανών και σύνθετων συστημάτων νανοσωλήνων άνθρακα για περιβαλλοντικούς και ενεργειακούς διαχωρισμούς και κατάλυση
Authors: Καψή Μαρία 
Published: August 2023

Στην παρούσα εγασία αναπτύχθηκαν μεμβράνες (AlPO4-5, CoΑΡΟ-5) τύπου ΑFI, αποτελούμενες από παράλληλα κανάλια διαμέτρου 7,3 Å, οι οποίες κατασκευάσθηκαν με την τεχνική εναπόθεσης νανοσωματιδιακών κρυστάλλων (seeded) σε μακροπορώδες υπόστρωμα αλουμίνας. Η CoAPO χρησιμοποιήθηκε ως μήτρα για τη σύνθεση λεπτών, προσανατολισμένων και μονού τοιχώματος νανοσωλήνων άνθρακα (SWCNT) εντός των ζεολιθικών καναλιών με διάμετρο μικροπόρων της τάξης των 4 Å, μέσω θερμικής επεξεργασίας, χρησιμοποιώντας την τριαιθυλαμίνη ως μορφοποιητή πλέγματος, η οποία αποτελεί πηγή άνθρακα και φράσσει τους πόρους των καναλιών. Στη συνέχεια, οι μεμβράνες AlPO4-5 και CoΑΡΟ-5/CNTs εμποτίστηκαν με πολυστυρένιο προκειμένου να καλυφθούν τα διακρυσταλλικά κενά (και το οποίο διατηρήθηκε μετά την ανάπτυξη των CNTs). Η ανάπτυξη των νανοσωλήνων άνθρακα εντός των πόρων της CoAPO επέφερε σημαντική αύξηση των τιμών διαπερατότητάς τους, σε σύγκριση με την μεμβράνη AlPO4-5, παρά τη μείωση του μεγέθους των πόρων λόγω της ανάπτυξης των νανοσωλήνων άνθρακα. Η αύξηση αποδίδεται σε απωστικές δυνάμεις μεταξύ των διαπερνώντων αερίων και των τοιχωμάτων των νανοσωλήνων άνθρακα, σε συνδυασμό με την ομαλή εσωτερική επιφάνεια των SWCNTs που επιτρέπει τη γρήγορη διάχυση. Τέλος, εξετάστηκε η διαχωριστική ικανότητα των μεμβρανών AlPO4-5 και CoAPO σε σχέση με τα αέρια H2 και CO2.Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση του κοβαλτίου στην απόδοση των νανοσωλήνων άνθρακα μέσω πειραμάτων ρόφησης και διαπερατότητας. Αναπτύξαμε μεμβράνες (CoAPO-5, κρυσταλλική δομή AFI) με μοριακές αναλογίες Co:Al 0,025 και 0,05, αποτελούμενους από μονοδιάστατους, παράλληλους πόρους και με διάμετρο ~7 Å, που αποτέλεσαν μήτρες για την ανάπτυξη των (SWNTs) στο εσωτερικό των πόρων. Τα προκύπτοντα υλικά εξετάστηκαν ως προσροφητικά και μεμβράνες για την αποθήκευση και τον διαχωρισμό του υδρογόνου, χρησιμοποιώντας αέρια ανίχνευσης και μίγματα αερίων. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις διαπερατότητας στις αντίστοιχες μεμβράνες Co(x)APO@SWNT, με τη μεμβράνη Co(0,05)APO@SWNT να παρουσιάζει την υψηλότερη απόδοση για όλα τα αέρια που μελετήθηκαν, ως συνέπεια των μεγαλύτερων και πιο πυκνών κρυστάλλων AFI μαζί με τον υψηλότερο αριθμό πληρωμένων πόρων με SWNT. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι παραγόμενες σύνθετες μεμβράνες παρουσίασαν τιμές διαπερατότητας δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές που προβλέπονταν από τον μηχανισμό Knudsen. Στη συνέχεια εξετάστηκε η ικανότητα πρόσληψης H2 και CO2 μέσω των μηχανισμών προσρόφησης και κινητικής προσρόφησης και στις δυο μεμβράνες CoAPO-5@SWNT. Η πολύ υψηλότερη ικανότητα προσρόφησης H2 σε σύγκριση με το CO2, μαζί με την πολύ πιο αργή διάχυση του H2, έδειξε ότι λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους των SWNT, μόνο τα μόρια H2 θα μπορούσαν να εισέλθουν και να προσροφηθούν στο εσωτερικό των SWNTs. Έτσι, η υψηλότερη ικανότητα πρόσληψης H2 της μεμβράνης με την υψηλότερη φόρτιση κοβαλτίου, αποκάλυψε ότι αυτό το υλικό διαθέτει υψηλότερο πληθυσμό SWNT. Παράλληλα, οι δυο μεμβράνες παρουσίασαν σχεδόν πανομοιότυπη πρόσληψη CO2, χαρακτηριστικό που είναι ενδεικτικό του παρόμοιου αριθμού κενών καναλιών AFI στα δύο δείγματα. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε ότι η πρόσληψη υδρογόνου 1,2 wt% στους 35 oCκαι πίεση 1 bar, στην περίπτωση της μεμβράνης Co(0,05)APO@SWNT, είναι μία από τις καλύτερες αναφερόμενες τιμές στη βιβλιογραφία, σε συνθήκες περιβάλλοντος. Τέλος, αναπτύχθηκαν νανοσωλήνες άνθρακα στο εσωτερικό των πόρων ανοδιωμένης αλουμίνας μέσω θερμικής πυρόλυσης ασφαλτενίου. Στη συνέχεια διεξήχθησαν μετρήσεις διαπερατότητας με διάφορα αέρια στις προκύπτουσες μεμβράνες - CNT προκειμένου να διερευνηθεί το δυναμικό διαχωρισμού τους. Οι καθαροί νανοσωλήνες άνθρακα από το ακατέργαστο ασφαλτένιο δοκιμάστηκαν επίσης για τις ικανότητες απορρόφησης CO2 μετά την αφαίρεση του προτύπου ανοδιωμένης αλουμίνας.