Vật liệu carbon là những chất hấp phụ có triển vọng nhất khi hấp phụ vết khí hoặc hơi. Mới đây, các dạng carbon mới như CNFs và CNTs đã thu hút nhiều chú ý do chúng có diện tích bề mặt riêng lớn và đường kính trung bình lỗ xốp đồng đều. Các lỗ xốp trung (mesopores) này có khả năng hấp phụ tốt hơn nhiều so với các lỗ xốp nhỏ (micropores) của than hoạt tính thông thường. Tương tác giữa các cấu trúc này với môi trường của chúng , đặc biệt là với khí thu hút nhiều chú ý nhằm sử dụng các vật liệu này để hấp phụ khí hiệu quả.
Hấp phụ khí, đặc biệt là khả năng hấp phụ khí H2 đã được nghiên cứu thông qua tính toán lý thuyết, đo đạc thử nghiệm và mô phỏng phân tử. Các công việc nhằm xác định các tính chất về hình dạng và năng suất hấp phụ từ quá trình hấp phụ / khử hấp phụ đẳng nhiệt đã được thực hiện.
Các thông số nhiệt động học như: enthalpy, entropy, năng lượng tự do của quá trình khử hấp phụ và năng lượng bề mặt là những thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất hấp phụ.
Đo nhiệt lượng khí, năng suất phân giải hấp phụ argon cao và đo nhiệt tẩm là kĩ thuật để đánh giá tính chất hấp phụ của vật liệu carbon. Các dữ liệu nhiệt động học và
thông số năng lượng bề mặt được xác định bằng máy sắc kí khí ngược (IGC : inverse gas chromatography).
Bằng IGC, cho thấy khả năng của 2 vật liệu cấu trúc carbon không vi xốp (MWNTs và CNFs) đối với sự hấp phụ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs): hydrocarbon (n-pentan, n-hexane, n-heptane và n-octane), hợp chất vòng (cyclohexane), aromatic (benzene) và các hợp chất Clo (chloroform, trichloroethylene và tetrachloroethylene).
Đánh giá tính đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ, độ bền tương tác (nhiệt hấp phụ) và giá trị năng lượng hấp phụ tự do cần xét đến cả độ phân tán năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt riêng.
Diện tích bề mặt riêng
Diện tích bề mặt riêng của CNTs rất lớn, và lớn hơn so với CNFs. Giá trị bề mặt riêng tiêu biểu của CNTs khoảng 200 m2/g, còn tùy thuộc vào các thông số tổng hợp và quá trình xử lí sau tổng hợp.
Diện tích bề mặt riêng tính theo phương trình BET (Brunauer, Emmett and Teller), tổng thể tích lỗ xốp và đường kính trung bình của lỗ xốp được đưa ra ở bảng sau :
Bảng 3.2 - Tính chất lý hóa của nanocarbon.
Nếu so sánh giá trị bề mặt riêng và bề mặt cấu trúc ngoài của CNFs và CNTs (sử dụng đường kính và tỉ trọng trung bình thu được) thì kết quả cho thấy phần lớn diện tích bề mặt của CNFs là bề mặt ngoài (> 80 %), còn với CNTs diện tích bề mặt ngoài chỉ chiếm tỉ lệ ít hơn 20 % tổng diện tích bề mặt.
Tính bền nhiệt
Xử lí nhiệt các vật liệu carbon trong môi trường khí trơ (He) dẫn đến sự phân hủy chọn lọc các nhóm chất oxi hóa thành CO và CO2. Cả CO và CO2 giải phóng được theo dõi trong suốt quá trình khử hấp phụ trong môi trường He (He-TPD : temperature programmed desorption). Do đó, sự có mặt của các nhóm chất oxi hóa trên bề mặt vật liệu có thể được loại bỏ. Nhiệt độ oxy hóa (TPO) thử nghiệm được sử dụng rộng rãi để kiểm tra độ trật tự trong vật liệu carbon.
Vì vậy, sự dịch chuyển từ vô định hình thành cấu trúc graphic do sự tăng nhiệt độ. Giá trị Tmax đặc trưng của TPO ở bảng trên. Nhận thấy rằng, nhiệt độ phân huỷ của CNTs khoảng 650 oC và CNFs từ 600 – 900 oC.
characteristic point). Hằng số Henry và Enthalpy của một số chất ở 250 C được cho ở bảng sau:
Bảng 3.3 - Hằng số Henry ở 250 oC và enthalpy hấp phụ của các chất trên CNT và
CNF.
(TCE: trichloroethylene; TTCE: tetrachloroethylene)
CNTs có năng suất hấp phụ cao nhất đối với tất cả các hợp chất được kiểm tra. Với các hợp chất clo thì năng suất hấp phụ theo thứ tự sau: chloroform < trichloroethylene < tetrachloroethylene. Năng suất hấp phụ tăng khi kích thước phân tử tăng, năng suất hấp phụ các hợp chất dạng vòng (benzen và cyclohexane) cao hơn so với dạng mạch thẳng (n- hexane). Cũng thu được tính năng tương tự trên than hoạt tính vi xốp. Tuy nhiên, trên các vật liệu này, năng suất hấp phụ khoảng 50 % .
Độ bền tương tác của mỗi hợp chất với bề mặt chất hấp phụ được đặc trưng bởi enthalpy hấp phụ ∆Hads. ∆Hads của CNTs là thấp nhất đối với tất cả các hợp chất được kiểm tra, thấp hơn nhiệt hóa lỏng.
Từ số liệu sắc kí, tính đựơc độ phân tán và năng lượng bề mặt riêng. Hình 3.13 thể hiện năng lượng riêng, γSD trong vùng nhiệt độ nghiên cứu.
Hình 3.15 - Độ phân tán năng lượng bề mặt trên CNT (đen) và CNF (xám)
Bảng 3.4 - Enthalpy hấp phụ (kJ/mol) và phần trăm đóng góp trong enthalpy hấp phụ tổng của một vài chất hấp phụ phân cực.
Tương tác đặc trưng của bezen có thể được giải thích là do liên kết cho-nhận qua hệ thống liên kết π, được ưu tiên hơn liên kết lưỡng cực-lưỡng cực của clo.