Simulação molecular da adsorção e transporte de gases em novas nanoestruturas porosas de carbono

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Santa Catharina, Vinícius Millán
• Orientador(a): Muniz, André Rodrigues
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Nanoestruturas; Carbono; Simulação; Adsorção
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/212483

Nanoestruturas porosas de carbono são de grande interesse para aplicações em processos de separação, armazenamento de gases, catálise, entre outros. Recentemente, foram propostas na literatura a formação de duas novas classes de materiais desta natureza, formadas pela interconexão de fulerenos porosos (porous fullerenes) e derivados de nanofilamentos de carbono (carbon nanothreads). As estruturas obtidas apresentam alta porosidade com distribuição de tamanhos de poros uniforme, e excelente resistência mecânica, que combinados, trazem diversas vantagens nas aplicações acima mencionadas. Neste trabalho, foram investigadas as propriedades de adsorção e de transporte de gases nestas classes de estruturas, buscando ampliar o entendimento sobre o conjunto de propriedades apresentadas pelas mesmas e novas aplicações tecnológicas em potencial. Mais especificamente, utilizamos simulações de Monte Carlo (MC) para estimar a capacidade adsortiva dos gases H2, CH4, O2 e N2 nestas estruturas em temperatura ambiente, e simulações de Dinâmica Molecular (MD) para estimar o coeficiente de difusão dos gases em diferentes pressões. As isotermas obtidas foram ajustadas utilizando o modelo de Langmuir e, através delas calculamos as solubilidades dos gases em função da pressão. Além disso, calculamos as seletividades das misturas CH4/H2 e O2/N2 buscando entender o potencial dessas estruturas para o uso em processos de separação gasosa. As superestruturas à base de fulerenos porosos apresentaram as maiores quantidades de gás hidrogênio adsorvido (aproximadamente 30 mol/kg na pressão de 150 bar), em particular nas estruturas do tipo C36 e C48A. Os nanomateriais derivados de nanofilamentos apresentaram comportamento distinto. Os obtidos a partir de moléculas poliaromáticas não demonstraram valores significativos em nenhuma das propriedades investigadas devido aos menores tamanho de poros e área superficial. Já os sólidos do tipo DNF-AC, principalmente o DNF-AC(2,2,2) demonstrou a maior capacidade adsortiva de metano, oxigênio e nitrogênio com valores de 55 mol/kg, 40 mol/kg e 35 mol/kg, respectivamente, nas pressões de 150 bar. Estas quantidades adsorvidas são próximas às observadas por outros materiais nanoporosos baseados em carbono, reportados na literatura. Para os coeficientes de difusão, a anisotropia de alguns materiais foi um fator preponderante. As estruturas C36 e DNF-AC(2,2,2), com os maiores tamanho de poro, apresentaram as maiores difusividades, como esperado. Os resultados obtidos ampliam o entendimento sobre esses materiais, apontando que os materiais nanoporosos derivados de fulerenos porosos e de nanofilamentos são alternativas para a separação de misturas gasosas de H2/CH4, mas não adequadas na separação de O2/N2, podendo apresentar seletividades mais interessantes quando gases de maior peso molecular sejam considerados.