Адсорбция метана на графеновом аэрогеле

Аннотация

Статья посвящена изучению адсорбции метана на графеновом аэрогеле в широком интервале давлений при температурах выше критической. В работе синтезирован углеродный наноструктурный материал, представляющий собой аэрогель на основе восстановленного оксида графена с применением сверхкритических методов обработки гидрогеля в среде изопропилового спирта. Полученный адсорбент обладает хорошо развитой пористой структурой (S(БЭТ)=657 м²/г; V(DFT)=0.766 см³/г), что создает хорошие перспективы его использования для адсорбции энергетически важных газов, в частности, метана. Благоприятным фактором для увеличения скорости адсорбции-десорбции в таких системах является большой объем мезопор с диаметрами ~5.0 нм.

Изучена адсорбция метана на полученном графеновом аэрогеле при температурах 298.15, 303.15, 313.15 К и давлении до 100 бар. Максимальная величина адсорбции составила 7.31 ммоль/г при 100 бар и 298.15 К. Представлены результаты расчетов адсорбции метана на графеновом аэрогеле в области сверхкритических температур по теории объемного заполнения микропор М. М. Дубинина. Экспериментальные данные адсорбции метана на графеновом аэрогеле были проанализированы с использованием типовой модели адсорбции Дубинина-Радушкевича в интервале температур 298.15-313.13 К. Характеристическая энергия адсорбции исследуемого газа (метана) на графеновом аэрогеле находятся в диапазоне 5.47-5.64 кДж/моль, что говорит о том, что процесс адсорбции метана на графеновом аэрогеле относится к физической адсорбции. На основе полученных данных рассчитаны зависимости дифференциальных мольных теплот адсорбции метана на графеновом аэрогеле от величины адсорбции при температурах 298.15-313.15 К. Теплота адсорбции составила 24 кДж/моль при всех температурах, а затем падала до ~9 кДж/моль при ~6 ммоль/г (298.15 К) и при ~4 ммоль/г (303.15-313.15 К). Такой ход кривых теплоты адсорбции, вероятно, является следствием особенностей пористой структуры адсорбента – мультимодальностью структуры. С молекулярной точки зрения само падение теплоты адсорбции при высоких заполнениях, по-видимому, связано с нарастанием энергии отталкивания между молекулами в адсорбате на малых расстояниях.