Design and study of pillared graphenes and nanoporous carbon materials for energy, environmental and catalytic applications

Abstract

Nanoporous materials have been exploited since antiquity in a plethora of applications due to their controllable pore size, diverse geometries, surface properties and their ability to interact with molecules and atoms or adsorb/release them. Being amongst the most abundant elements on earth and present in a variety of forms, carbon is an excellent candidate material for applications that can pave the way for a greener, waste-free, and less energy- and resource-demanding future and new forms of porous carbon have an important role to play in this context. Porosity in materials can be obtained in many ways; in this PhD project the focus lay on porous carbons resulting from carbonization, chemical etching, template synthesis and activation, or ‘Parthenon like’ structures. The latter were constructed through the intercalation of robust organic and/or inorganic pillars between graphene sheets in order to keep the layers apart and create interconnected void spaces with a well-defined size and chemical affinity. Towards this aim, two new composites, one where a silica network was created in the interlayer space of organically modified graphene oxide, and another one where graphene oxide was pillared with silsesquioxanes, were tested as carbon dioxide sorbents. The ability of copper-enriched porous carbon cuboids to capture hydrogen sulfide gas was also explored and it was shown how hierarchical porous carbons with high specific surface areas and pore volumes can be produced making use of sugar and coffee wastes.

Η χρήση νανοπορωδών υλικών απαντάται από την αρχαιότητα σε μία πληθώρα εφαρμογών χάρη στη δυνατότητα ελέγχου του μεγέθους των πόρων, της ποικιλόμορφης γεωμετρίας, των επιφανειακών ιδιοτήτων και της ικανότητάς τους να αλληλοεπιδρούν με μόρια και άτομα, ή να τα απορροφούν/απελευθερώνουν. Δεδομένου ότι ο άνθρακας συγκαταλέγεται μεταξύ των πλέον άφθονων στοιχείων στη γη και ότι μπορεί να βρεθεί σε πληθώρα μορφών, τα υλικά άνθρακα αποτελούν εξαιρετικές επιλογές για εφαρμογές που μπορούν να συνεισφέρουν για ένα πιο πράσινο μέλλον, χωρίς απόβλητα, και χαμηλότερο ενεργειακό και υλικό αποτύπωμα, και οι νέες μορφές πορώδους άνθρακα έχουν να παίξουν ένα σημαντικό ρόλο σε αυτό το πλαίσιο. Το πορώδες στα υλικά μπορεί να σχηματιστεί με πολλούς τρόπους: η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στους πορώδεις άνθρακες που προκύπτουν από την ανθρακοποίηση, τη «χημική χάραξη», τη σύνθεση με χρήση προτύπου και την ενεργοποίηση, αλλά και υποστυλωμένες δομές που προσομοιάζουν αυτή του Παρθενώνα. Τα τελευταία κατασκευάστηκαν μέσω της παρεμβολής στιβαρών οργανικών ή/και ανόργανων πυλώνων μεταξύ φύλλων γραφενίου ώστε να διαχωρίζονται τα στρώματα και να δημιουργούνται διασυνδεδεμένοι κενοί χώροι με καλοσχηματισμένους πόρους και χημική συγγένεια. Προς την επίτευξη αυτού του στόχου, δύο νέα σύνθετα υλικά, ένα στο οποίο ένα πυριτικό δίκτυο δημιουργήθηκε στον ενδοστρωματικό χώρο ενός οργανικά τροποποιημένου οξειδίου του γραφενίου, και ένα άλλο στο οποίο το οξείδιο του γραφενίου υποστυλώθηκε με σιλοξάνια, εξετάστηκαν ως υλικά αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα. Επιπλέον, διερευνήθηκε η ικανότητα εμπλουτισμένου με χαλκό πορώδους κυβοειδούς άνθρακα να δεσμεύει υδρόθειο, και παρουσιάστηκε το πώς ιεραρχημένοι πορώδεις άνθρακες με υψηλή ειδική επιφάνεια και όγκους πόρων μπορούν να παραχθούν κάνοντας χρήση αποβλήτων ζάχαρης και καφέ.