Reação inspirada em foguete produz carbono com área de superfície recorde

Usando uma reação química inspirada na ignição de combustível de foguete, os pesquisadores da Cornell desenvolveram um carbono nanoporoso com a maior área superficial já relatada, um avanço que já está se mostrando benéfico para tecnologias de captura de dióxido de carbono e armazenamento de energia.

Os cientistas estão continuamente se esforçando para aumentar a porosidade do carbono, o que expõe mais a superfície do materials e otimiza seu desempenho em aplicações como adsorção de poluentes e armazenamento energia elétrica.

Uma nova técnica de síntese detalhado no diário ACS Nano empurra a área de superfície do carbono para 4.800 metros quadrados por grama, sem precedentes, equivalente ao tamanho de um campo de futebol embalado em uma colher de chá de materials.

“Ter mais superfície por massa é muito importante, mas você pode chegar a um ponto em que não resta mais materials. É apenas ar, “disse o autor sênior Emmanuel Giannelis, professor Walter R. Learn no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, na Cornell Engenharia. “Portanto, o desafio é quanto dessa porosidade você pode introduzir e ainda deixar estrutura, junto com rendimento suficiente para fazer algo prático com ela.”

Para enfrentar esse desafio, Giannelis recrutou o pesquisador de pós-doutorado Nikolaos Chalmpes, que vinha projetando materiais usando reações hipergólicas, que ocorrem espontaneamente quando certos produtos químicos se misturam e liberam uma explosão rápida e intensa de energia.

“Eu estava tentando entender como aproveitar e controlar essas reações inexploradas para sintetizar várias nanoestruturas de carbono e, depois de ajustar vários parâmetros, descobri que poderíamos conseguir uma porosidade ultra-alta”, disse Chalmpes, principal autor do estudo. “Até então, essas reações só tinham sido usadas em sistemas de foguetes e aeronaves, e em sondas espaciais para propulsão e energia hidráulica.”

A técnica começa com sacarose e um materials de modelo para ajudar a moldar o carbono em uma forma estruturada. Quando misturada com produtos químicos específicos, a reação hipergólica se inflama, formando tubos de carbono com alta concentração de anéis moleculares reativos compostos por cinco átomos de carbonoem vez dos típicos anéis de seis membros encontrados na maioria das estruturas de carbono.

A etapa last envolve o tratamento do materials com hidróxido de potássioque elimina estruturas menos estáveis, criando uma intrincada rede de poros microscópicos.

“Quando você faz essa reação muito rápida, cria-se uma situação perfeita em que o sistema não consegue relaxar e atingir seu estado de energia mais baixo, o que normalmente aconteceria”, disse Giannelis. “Devido à velocidade das reações hipergólicas, você pode capturar o materials em uma configuração metaestável que não é possível obter com o aquecimento lento de uma reação regular.”

Com colaboradores da Cornell e do Centro Nacional de Pesquisa Científica, Demokritos, na Grécia, os pesquisadores demonstraram que o materials nanoporoso poderia adsorver dióxido de carbono com quase o dobro da capacidade dos carvões ativados tradicionais e pode capturar 99% de sua capacidade complete em apenas dois minutos, tornando-o um dos sorventes de ação mais rápida do gênero.

O novo materials também se mostra promissor no armazenamento de energia, alcançando uma densidade volumétrica de energia de 60 watts-hora por litro, quatro vezes maior que os carvões ativados disponíveis comercialmente.

“Esta abordagem oferece uma estratégia alternativa para projetar e sintetizar materiais à base de carbono adequados para sorventes, suportes de catalisadores e materiais ativos para supercapacitores, particularmente em aplicações que exigem eficiência espacial”, disse Chalmpes, que também está usando a técnica para criar novas ligas de nanopartículas.

“Além disso, as condições experimentais únicas das reações hipergólicas fornecem outro caminho para o projeto e síntese de eletrocatalisadores com propriedades aprimoradas.”