توصيفگر ها :
اكسيدگرافن , ايروژل گرافن , پو¬شش¬دهي منسوج پلي¬استر , جذب گاز دي¬اكسيدكربن , ساختار متخلخل ماكرو/ مزو /ميكرو
چكيده فارسي :
كنترل انتشار دي اكسيدكربن به عنوان يك گاز گلخانه اي با استفاده از جاذب هاي متخلخل بسيار مورد توجه پژوهشگران قرارگرفته است. در اين راستا ايروژل گرافن به دليل امكان تشكيل ساختار متخلخل ماكرو/ مزو/ميكرو حفره و قابليت كنترل شيميايي ساختار از قابليت بالاي جذب گاز CO2 برخوردار است. از طرفي منسوجات جاذب گاز CO2 استفاده شده در ساير پژوهش ها اغلب بر پايه الياف شيشه و كربن بوده و براي بهبود كارايي جذب گاز CO2 آنها عموما نياز به اصلاح فيزيكي و شيميايي پيچيده است. لذا هدف از اين پژوهش، تهيه سازه ليفي جديد جاذب گاز CO2 با استفاده از پوشش¬دهي نانوساختار ايروژل گرافن بر سطح منسوج است. در اين راستا كنترل فرايند خودتجمعي و دستيابي به ساختار حفرات ماكرو/ مزو/ميكرو و اصلاح ساختار شيميايي ايروژل گرافن در جهت افزايش ميزان جذب گاز CO2اين نانوساختار از طريق كنترل متغيرهاي فرايندي انجام شد. در ادامه روش مناسب قرارگيري نانوساختار ايروژل گرافن بر روي سازه ليفي با تمركز بر كنترل برهمكنش هاي الكترواستاتيك بين سازه ليفي و صفحات گرافني انجام گرفت. هدف مورد نظر در اين بخش بررسي فرايند خودتجمعي مناسب صفحات گرافني و تشكيل همزمان ساختار ايروژلي به منظور ايجاد پوشش يكنواخت و پايدار بر روي سطح منسوج است. در اين پژوهش كنترل خودتجمعي صفحات اكسيدگرافن ابتدا از طريق بهينه سازي ميزان اكسيداسيون گروه¬هاي اكسيژني گرافيت انجام شد. در اين راستا متغيرهاي فرايند سنتز اكسيدگرافن (پرمنگنات پتاسيم، اسيد سولفوريك، پراكسيد هيدروژن) مورد بررسي قرارگرفت. سپس تشكيل ساختار بهينه ماكرو / مزو/ ميكروحفره ايروژل گرافن از طريق كنترل برهم كنش¬هاي الكترواستاتيك، -π π ، واندروالس و هيدروژني بررسي و همچنين اصلاح شيميايي ايروژل گرافن درجهت افزايش كارايي جذب CO2 انجام شد. به منظور بهينه سازي ساختار متخلخل ماكرو/مزو/ ميكرو متغيرهاي سنتز هيدروترمال (غلظت اكسيدگرافن، زمان سنتز و نوع كاهنده) ارزيابي شدند. از آناليزهاي جذب و واجذب نيتروژن، FE-SEM،XRD ،RAMAN ،XPS ، FTIR وEDX به منظور مشخصه¬يابي نمونه¬ها استفاده شد. جذب گاز CO2 ايروژل سنتز شده با استفاده از غلظت بالاي اسيد سولفوريك در شرايط سنتز اكسيدگرافن، mmol/g 72/1 اندازه¬گيري شد و پس از اصلاح شيميايي ايروژل گرافن با استفاده از مونواتانول آمين، ميزان جذب CO2 بيش از سه برابر افزايش نشان داد. شرايط سنتز هيدروترمال بهينه براي تشكيل ساختار ايروژلي شامل مدت زمان 10 ساعت و C° 140 تعيين شد كه ايروژل حاصل داراي بالاترين سطح مخصوص مزو و ميكرومتري (m2/g 152 و 169) بوده و بر اساس نتايج XPS افزايش گروه هاي آميني ونسبت NH/NT تا 35/0 ميزان جذب CO2 آن را تا mmol/g 1/5 افزايش داد. مدل سينتيكي الويچ تطابق خوبي با داده¬هاي تجربي نشان داد كه تاييدكننده همزماني جذب فيزيكي و شيميايي CO2 روي ايروژل گرافن است. همچنين ارزيابي نتايج نشان داد كه اندازه حفرات ماكرو /مزو /ميكرو تاثير بسزايي روي ضرايب مدل الويچ دارند و اين ضرايب بيانگر سرعت نفوذ اوليه و ممانعت سطحي در برابر نفوذ CO2 هستند. مدل نفوذ درون ذره اي به عنوان مدل محدودكننده سرعت براي كنترل نفوذ CO2 در ايروژل¬ها تعيين شد. افزايش غلظت اكسيدگرافن به شدت ثابت محدودكننده سرعت دراين مدل را در مقايسه با نمونه هاي سنتزشده در زمان¬هاي مختلف سنتز هيدروترمال به دليل كم شدن ماكروحفرات ايروژل، كاهش داده¬است. در ادامه پژوهش پوشش دهي ايروژل گرافن روي منسوج پلي استر به روش سنتز درجا در شرايط مختلف هيدروترمال انجام شد. شرايط هيدروترمال با هدف عدم تخريب منسوج حين فرايند پوشش دهي، كنترل برهمكنش¬هاي صفحات اكسيدگرافن و منسوج پلي¬استر بهينه سازي شد. در ادامه با هدف افزايش جذب شيميايي گاز توسط منسوج پوشش دهي شده، اصلاح آميني با استفاده از پلي اتيلن ايمين(PEI) با راهكارهاي مختلف بررسي شد. نتايج حاصل نشان داد كه روش اصلاح اوليه منسوج با PEI و سپس پوشش دهي با فرايند سنتز درجا با ايجاد گروه¬هاي عاملي آمين با دانسيته مناسب در سطح منسوج و رفع چالش تخريب منسوج حين فرايند سنتز درجا منجر به بهبود فرايند خودتجمعي صفحات اكسيدگرافن و تشكيل پوشش گرافني متخلخل يكنواخت و پايدار شد و ميزان جذب دي اكسيدكربن منسوج حاصل نسبت به نمونه پلي استر اوليه حدود4 برابر بهبود يافت.
چكيده انگليسي :
The control of carbon dioxide emissions using porous adsorbents has received significant attention from researchers. In this regard, graphene aerogel, due to its porous structure consisting of macro/meso/micro pores and controllable chemical structural, exhibits a high capacity for CO2 gas adsorption. However, textiles used for CO2 gas adsorbing in other research studies are often based on glass and carbon fibers, which usually require complex physical and chemical modifications to improve CO2 gas adsorption efficiency. Thus, the objective of this research is to develop a novel CO2 gas adsorbing fibrous structure by coating graphene aerogel nanostructures onto PET fabric. In this context, the self-assembly process and the formation of macro/meso/micro porous structures, along with the chemical modification of graphene aerogel to enhance the CO2 gas adsorption capacity, were achieved through process variable control. Subsequently, a suitable method for coating graphene aerogel nanostructures onto fibrous structures, focusing on controlling electrostatic interactions between the fibrous structure and graphene sheets, was investigated. The goal in this section was to analyze the self-assembly process of graphene sheets and simultaneously create aerogel structures to form a uniform and stable coating on the textile surface. The self-assembly of graphene oxide sheets was initially controlled by optimizing the oxidation levels of oxygen groups in graphite. Process variables for synthesizing graphene oxide (potassium permanganate, sulfuric acid, hydrogen peroxide) were examined. The formation of optimal macro/meso/micro porous graphene aerogel structures was studied through controlling electrostatic, π-π, van der Waals, and hydrogen interactions, and chemical modifications were made to increase CO2 adsorption efficiency. CO2 adsorption by synthesized aerogel using high sulfuric acid concentrations during graphene oxide synthesis was measured at 1.72 mmol/g, and after chemical modification of graphene aerogel with monoethanolamine, CO2 adsorption capacity showed a threefold increase. Optimal hydrothermal synthesis conditions for aerogel formation were determined to be a duration of 10 hours and 140°C, resulting in aerogel with the highest meso and micro surface areas (152 m²/g and 169 m²/g). Based on XPS results, increasing the amine group content and NH/NT ratio to 0.35 increased CO2 adsorption to 5.1 mmol/g. The Elovich kinetic model showed a good agreement with experimental data, confirming simultaneous physical and chemical adsorption of CO2 on graphene aerogel. Further evaluation revealed that macro/meso/micro pore sizes significantly affected Elovich model coefficients, indicating initial diffusion rates and surface barrier CO2 diffusion. The intraparticle diffusion model was identified as the rate-limiting model for controlling CO2 diffusion in aerogels. Increasing the graphene oxide concentration reduced the rate-limiting constant in this model compared to samples synthesized at varying hydrothermal synthesis times, due to reduced macropores in the aerogel. Further research involved coating graphene aerogel onto polyester fabric using in-situ synthesis under various hydrothermal conditions. Hydrothermal conditions were optimized to prevent textile degradation during coating and control interactions between graphene oxide sheets and polyester fabric. To enhance chemical CO2 adsorption by coated fabric, amine modification using polyethyleneimine (PEI) through various approaches was investigated. Results showed that pre-modifying PET with PEI followed by in-situ synthesis coating significantly improved the self-assembly of graphene oxide sheets, forming a uniform and stable porous graphene coating. This method enhanced CO2 adsorption of the resulting textile by approximately four times compared to untreated polyester samples.
استاد داور :
اكبر خدامي , عليرضا نجفي چرمهيني , مصطفي يوسفي , احمدرضا بهراميان