石墨烯纳米带改善压缩气体储存
2019/09/16
莱斯大学创建的复合材料几乎不受天然气的影响,可能会为车辆提供有效的压缩天然气储存。 用电子显微镜边缘拍摄的65微米宽的聚合物薄膜含有少量增强的石墨烯纳米带,这些增强的石墨烯纳米带使气体分子成为逃逸的“曲折路径”。 图片来源:Changsheng Xiang / Rice University
新闻来源 Scitech Daily
通过向热塑性聚氨酯中添加改性的单原子厚石墨烯纳米带,莱斯大学的研究人员开发出一种增强型聚合物材料,该材料对加压气体更不可渗透,并且比气罐中使用的现有金属轻得多。
休斯顿 - 莱斯大学的一项发现旨在使使用压缩天然气的车辆变得更加实用。 它还可以延长瓶装啤酒和苏打水的保质期。
化学家詹姆斯·图尔的莱斯实验室增强了一种聚合物材料,使其对加压气体更加不可渗透,并且比现在用于容纳气体的罐中的金属轻得多。
对于使用更便宜的天然气的消费者汽车而言,这种组合可能是汽车行业的福音。 它还可以在食品和饮料包装领域找到市场。
莱姆和他在匈牙利,斯洛文尼亚和印度的同事本周在美国化学学会期刊ACS Nano的网络版上报告了他们的结果。
通过在热塑性聚氨酯(TPU)中添加改性的单原子厚石墨烯纳米带(GNR),Rice实验室使气体分子难以逃逸1000倍,Tour说。 这是因为色带均匀分散在材料中。 他说,由于气体分子无法穿透GNR,因此它们面临着自由的“曲折路径”。
研究人员承认,一块坚固的二维石墨烯片可能是天然气的完美屏障,但大量生产石墨烯尚不实用,Tour说。
但是石墨烯纳米带已经存在。 Tour于2009年在自然界首次公布,将多壁碳纳米管转变为GNR的突破性“解压缩”技术已获得工业生产许可。 “这些都是散装生产,这也应该使集装箱更便宜,”他说。
电子显微镜图像显示嵌入嵌段共聚物中的石墨烯纳米带。 莱斯大学创建的复合材料有望含有压缩天然气和食品包装。 图片来源:旅游团/莱斯大学
由赖斯研究生Changsheng Xiang领导的研究人员通过溶液浇铸用十六烷和TPU处理的GNR制备了复合材料的薄膜,TPU是一种结合了软硬材料的聚氨酯嵌段共聚物。 少量处理过的GNR占复合材料重量的不超过0.5%。 但重叠的200至300纳米宽的色带分散得如此之好,以至于它们几乎与含有气体分子的大片石墨烯一样有效。 Tour表示,GNR的几何形状使得它们比石墨烯片更好地加工成复合材料。
他们通过在一侧加压氮气和在另一侧加真空来测试GNR / TPU薄膜。 对于没有GNR的薄膜,当氮气逃逸到真空室中时,压力在大约100秒内降至零。 当GNR为0.5%时,压力没有超过1,000秒,并且仅在18小时内略有下降。
应力和应变测试还发现,0.5%的比例对于提高聚合物的强度是最佳的。
“我们的想法是增加坦克的韧性,使其不透气,”图尔说。 “随着汽车制造商考虑用天然气为汽车供电,这变得越来越重要。 能够在压力下处理天然气的金属罐通常比汽车制造商想要的重得多。“
他说这种材料也有助于解决食品包装中长期存在的问题。
“请记住,当你还是个孩子的时候,你会得到一个气球,它会在第二天萎靡不振? 那是因为气体分子通过橡胶或塑料,“Tour说。 “科学家需要花费数年时间才能弄清楚如何制作苏打水的塑料瓶。 有一次,除了一个玻璃瓶之外,你不能得到碳酸饮料,直到他们想出如何修改塑料以容纳二氧化碳气泡。 即使是现在,瓶装苏打水也会在几个月后持平。
“啤酒有一个更大的问题,在某些方面,这是相反的问题,”他说。 “氧气分子通过塑料进入并使啤酒变质。”有效防渗的瓶子可能导致啤酒在货架上保持新鲜的时间更长,Tour说。
该论文的共同作者是赖斯研究生Daniel Hashim,郑艳,彭志伟,黄志洲,阮登登和Errol Samuel; 赖斯校友巴黎考克斯; Bostjan Genorio,赖斯的前博士后研究员,现在是斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的助理教授; 化学副教授Akos Kukovecz和该校的负责人ZóltanKónya 匈牙利塞格德大学应用与环境化学系; Parambath Sudeep,印度科钦科技大学的研究学者; 赖斯高级教员罗伯特·瓦伊泰; 和Pulickel Ajayan,Rice的机械工程和材料科学与化学的Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson教授。 巡回赛是T.T.和W.F. 曾任化学系主任,也是赖斯的机械工程,材料科学和计算机科学教授。
空军研究实验室通过大学科技公司,海军研究办公室MURI石墨烯计划和空军科学研究办公室MURI计划支持该研究。
Images: Changsheng Xiang/Rice University; Tour Group/Rice University