شبکه‌های پلیمری در ترکیبات متخلخل سلسله‌مراتبی کربن: سنتز، ویژگی‌ها و کاربردها
محورهای موضوعی : پلیمرها در انرژی و کاربردهای بهداشتی و محیطیزیبا شیرینی کردآبادی 1 , فاطمه رفیع منزلت 2
1 - گروه شيمي پليمر
2 - دانشگاه اصفهان
کلید واژه: ترکیبات متخلخل سلسله مراتبی کربن, پلیمرشدن تراکمی, رزین های فنولی, جاذب CO2, گازهای گلخانه‌ای,
چکیده مقاله :
ترکیبات متخلخل دارای انواع متفاوتی از حفره ها در محدوده ی میکرو، مزو یا ماکرو هستند که هر یک از این حفرات نقش ویژه ای را ایفا می کنند. در میان این ترکیبات، ترکیبات متخلخل کربنی به‌عنوان پلیمرهای مشبک بر پایه ی کربن، به دلیل ویژگی های منحصربه‌فرد شان از جمله: پایداری مکانیکی، شیمیایی و گرمایی و قیمت مناسبی که دارند، سهم ویژه ای را به خود اختصاص داده اند. دو روش اصلی برای تهیه ی ترکیبات متخلخل کربن وجود دارند: 1) روش قالب (Tem plate Meth od) 2) روش گرماکافت/فعال‌سازی (Pyrolysis/Activation Method). روش قالب به دلیل استفاده از قالب و حذف آن، وقت گیر و پرهزینه است و روش گرماکافت/فعال‌سازی به طور گسترده برای تهیه ی ترکیبات متخلخل کربنی از انوع پلیمرها، ضایعات و زیست توده ها در حضور فعال کننده های فیزیکی و شیمیایی استفاده می‌شود. جایگزینی هترواتم ها از جمله: N ، O ، B ، S و P در ترکیبات کربن منجر به افزایش کارایی و توسعه ی کاربردهای آن ها می شود؛ به طور مثال استفاده از ترکیبات متخلخل کربن دوپه شده با نیتروژن به‌عنوان الکترود در سل های ابررسانا، کارایی ذخیره انرژی و در جاذب ها کارایی جذب CO2 را افزایش می دهد. ترکیبات کربن متخلخل به‌علت ویژگی های بی همتایشان به ویژه مساحت سطح زیاد، وزن کم و ظرفیت جذب بالا در ذخیره هیدروژن، حذف آلودگی‌ها، الکترودها و بستر کاتالیزور ها استفاده می شوند.
Porous materials have different types of pores in the micro, meso or nano range, each of which plays a special role in porous materials application. Among these materials, porous carbon materials have a special share due to their unique properties such as: mechanical, chemical and thermal stability and their reasonable price. There are two main methods for synthesizing porous carbon materials: 1) template method and 2) pyrolysis/activation method. The template method is basically time consuming and tedious due to the use of the template and removal of template. Thus the method of pyrolysis/activation is widely used to prepare porous carbon materials from porous polymer precursers or waste and biomass materials in the presence of the physical and chemical active agents. Replacement of heteroatoms including: N, O, B, S and P in carbon materials leads to increased efficiency and development of their new applications; For example, the use of porous N-doped carbon materials as electrodes in superconducting cells increases the efficiency of energy storage and in the field of adsorbents materials increases the efficiency of CO2 uptake. Due to their unique properties, especially high surface area, low weight and high adsorption capacity, porous carbon materials are used in hydrogen storage, contaminants removal fron air air water, electrodes and as catalyst support.
1. Cecen F., and Özgür A., Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment: Integration of Adsorption and Biological Treatment, John Wiley & Sons, USA, 2011.
2. Gamby J., Taberna P.L., Simon P., Fauvarque J. F., Chesneau M., Studies and Characterisations of Various Activated Carbons Used for Carbon/Carbon Supercapacitors, J. Sci. Rep., 101, 109-116, 2001.
3. Gong Y., Wei Z., Wang J., Zhang P., Li H., Wang Y., Design and Fabrication of Hierarchically Porous Carbon with a Template-Free Method, Sci. Rep., 4, 1-6, 2014.
4. Yang X.Y., Chen L.H., Li Y., Rooke J.C., Sanchez C., Su B. L., Hierarchically Porous Materials: Synthesis Strategies and Structure Design, Chem. Soc. Rev., 46, 481-558, 2017.
5. Zhang M., Igalavithana A.D., Xu L., Sarkar B., Hou D., Zhang M., Ok Y.S., Engineered/Designer Hierarchical Porous Carbon Materials for Organic Pollutant Removal from Water and Wastewater: A Critical Review, Crit. Rev. Environ. Sci., 51,20, 2295-2328, 2021.
6. Zhou J., Zhang Z., Xing W., Yu J., Han G., Si W., Zhuo S., Nitrogen-Doped Hierarchical Porous Carbon Materials Prepared from Meta-Aminophenol Formaldehyde Resin for Supercapacitor with high Rate Performance, Electrochim. Acta, 153, 68-75, 2015.
7. Gao L., Yang J., Lu X., Ren H., Sheng E., & Huang J., Hierarchical Porous Carbon Doped with High Content of Nitrogen as Sulfur Host for High Performance Lithium–Sulfur Batteries, J., Electroanal. Chem., 878, 114593, 2020.
8. Huang G., Geng Q., Xing B., Liu Y., Li Y., Liu Q., Zhang C., Manganous Nitrate-Assisted Potassium Hydroxide Activation of HGumic Acid to Prepare Oxygen-Rich Hierarchical Porous Carbon as High-Performance Supercapacitor Electrodes, J., Power Sources, 449, 227506, 2020.
9. Xu F., Tang Z., Huang S., Chen L., Liang Y., Mai W., Wu D., Facile Synthesis of Ultrahigh-Surface-Area Hollow Carbon Nanospheres for Enhanced Adsorption and Energy Storage, Nat. Commun, 6, 1-12, 2015.
10. Titirici M.M., White R.J., Brun N., Budarin V.L., Su D.S., Del Monte F., MacLachlan M.J., Sustainable Carbon Materials, Chem. Soc. Rev., 44, 250-290, 2015.
11. Kundu S., Chowdhury I.H., Naskar M.K., Hierarchical Porous Carbon Nanospheres for Efficient Removal of Toxic Organic Water Contaminants of Phenol and Methylene Blue, J. Chem. Eng. Data., 63, 559-573, 2018.
12. Estevez L., Dua R., Bhandari N., Ramanujapuram A., Wang P., & Giannelis E. P., A Facile Approach for the Synthesis of Monolithic Hierarchical Porous Carbons–High Performance Materials for Amine Based CO2 Capture and Supercapacitor Electrode, Energy Environ. Sci., 6, 1785-1790, 2013.
13. Chaudhari S., Kwon S.Y., Yu J.S., Ordered Multimodal Porous Carbon with Hierarchical Nanostructure as High Performance Electrode Material for Supercapacitors, Rsc Adv., 4, 38931-38938, 2014.
14. Cuong D.V., Liu N.L., Nguyen V. A., Hou C.H., Meso/Micropore-Controlled Hierarchical Porous Carbon Derived from Activated Biochar as a High-performance Adsorbent for Copper Removal, Sci. Total Environ, 692, 844-853, 2019.
15. Gonzalez J.F., Roman S., Gonzalez-Garcia C.M., Nabais J.V., Ortiz A.L., Porosity Development in Activated Carbons Prepared from Walnut Shells by Carbon Dioxide or Steam Activation, J Ind Eng Chem., 48, 7474-7481, 2009.
16. Zhou X.L., Zhang H., Shao L.M., Lü F., He P.J., Preparation and Application of Hierarchical Porous Carbon Materials from Waste and Biomass: A Review, Waste Biomass Valori, 12, 1699-1724, 2021.
17. Konikkara N., Kennedy L.J., Vijaya J.J., Preparation and Characterization of Hierarchical Porous Carbons Derived from Solid Leather Waste for Supercapacitor Applications. J. Hazard. Mater, 318, 173-185, 2016.
18. Song X., Chen Q., Shen E., Liu H., N-doped 3D Hierarchical Carbon from Resorcinol–Formaldehyde–Melamine Resin for High-Performance Supercapacitors, New J Chem, 44,20, 8638-8649, 2020.
19. Zhu X., Gao Y., Yue Q., Song Y., Gao B., Xu X., Facile Synthesis of Hierarchical Porous Carbon Material by Potassium Tartrate Activation for Chloramphenicol Removal, J Taiwan Inst Chem Eng, 85, 141-148, 2018.
20. Abbott A.P., Capper G., Davies D.L., Rasheed R.K., Tambyrajah V., Novel Solvent Properties of Choline Chloride/Urea mixtures, J. Chem. Soc., Chem., 1, 70-71, 2003.
21. Carrasco-Huertas G., Jiménez-Riobóo R. J., Gutiérrez M. C., Ferrer M. L., Del Monte F., Carbon and Carbon Composites Obtained Using Deep Eutectic Solvents and Aqueous Dilutions Thereof, ChemComm, 56, 3592-3604, 2020.
22. Yang, X., Yu, M., Zhao, Y., Zhang, C., Wang, X., & Jiang, J. X., Remarkable gas Adsorption by Carbonized Nitrogen-rich Hypercrosslinked Porous Organic Polymers, J. Mater. Chem., 2, 15139-15145, 2014.
23. Zhang C., Kong R., Wang X., Xu Y., Wang F., Ren W., Jiang J. X., Porous Carbons Derived from Hypercrosslinked Porous Polymers for Gas Adsorption and Energy Storage. Carbon, 114, 608-618, 2017.
24. Xia W., Qiu B., Xia D., Zou R., Facile Preparation of Hierarchically Porous Carbons from Metal-Organic Gels and Their Application Inenergy Storage, Sci. Rep., 3,1-7, 2013.
10. Wang X., Bozhilov K.N., Feng P., Facile Preparation of Hierarchically Porous Carbon Monoliths with Well-Ordered Mesostructures, J. Mater. Chem., 18, 6373-6381, 2003.
25. Qie L., Chen W., Xu H., Xiong X., Jiang Y., Zou F., Huang Y., Synthesis of Functionalized 3D Hierarchical Porous Carbon for High-Performance Supercapacitors, Energy Environ, Sci, 6, 2497-2504, 2013.
26. Qi C., Xu L., Zhang M., Zhang M., Fabrication and Application of Hierarchical Porous Carbon for the Adsorption of Bulky Dyes, Microporous Mesoporous Mater, 290, 109651, 2019.
27. Lopez-Salas N., Gutierrez M. C., Ania C.O., Fierro J.L. G., Ferrer M. L., Del Monte F., Efficient Nitrogen-Doping and Structural Control of Hierarchical Carbons Using Unconventional Precursors in the form of Deep Eutectic Solvents, J. Mater. Chem., 2, 17387-17399, 2014.
28. Liu X., Wen Y., Chen X., Dymerska A., Wróbel R., Zhu J., Mijowska E., One-Step Synergistic Effect to Produce Two-Dimensional N-Doped Hierarchical Porous Carbon Nanosheets for High-Performance Flexible Supercapacitors, ACS Appl. Energy Mater., 3, 8562-8572, 2020.