Strategi Pembentukan Berbasis Polimer untuk Zeolit ​​​​Templat Karbon (ZTC) dan Komposit Kerangka Organik Logam (MOF) mereka untuk Peningkatan Sifat Penyimpanan Hidrogen (3)

Strategi Pembentukan Berbasis Polimer untuk Zeolit ​​​​Templat Karbon (ZTC) dan Komposit Kerangka Organik Logam (MOF) mereka untuk Peningkatan Sifat Penyimpanan Hidrogen (3)

Hasil dan Diskusi

Pola PXRD untuk UiO-66 (Zr) yang disiapkan menunjukkan puncak karakteristik utama yang konsisten dengan penelitian yang dilaporkan sebelumnya (Ren et al., 2014) dan menegaskan pembentukan MOF kristal murni. Kristalinitas yang diamati melengkapi gambar SEM masing-masing (Gambar 4d), menunjukkan kristal berbentuk oktahedral yang sangat jelas dengan tepi tajam sebagai atribut dari kehadiran 100 ekuivalen modulator (asam format) yang digunakan selama sintesisnya. 

Sampel ZTC menunjukkan puncak difraksi pada 6,2° 2-teta mirip dengan template zeolit ​​13X, menunjukkan replikasi pemesanan pori struktural tipe zeolit ​​13X di ZTC dan juga mengkonfirmasi keberhasilan proses templating (Xia et al., 2011; Musyoka dkk., 2018). Setelah menggabungkan UiO-66 (Zr) dan ZTC ke dalam matriks PIM-1 untuk mendapatkan bahan komposit PIM-1/80 wt%UiO-66(Zr) dan PIM-1/80 wt% ZTC, karakteristik puncak pengisi adalah masih ada dan dominan. 

Dengan demikian, menunjukkan bahwa struktur kristal pengisi dipertahankan pada proses pengikatan silang antara matriks polimer dan bahan pengisi. Seperti terlihat pada Gambar 1, pola difraksi material komposit didominasi oleh puncak difraksi kuat yang dihasilkan masing-masing dari UiO-66(Zr) dan ZTC, ditambah dengan sedikit amorf dari kehadiran PIM-1 yang tidak terlalu menonjol karena persentase beratnya yang rendah (20% berat). Sebaliknya, untuk PIM-1/UiO-66(Zr)/ZTC (80 wt%), puncak karakteristik UiO-66(Zr) lebih dominan dan terlihat jelas dibandingkan dengan ZTC dan sifat amorf PIM- 1 dan struktur fasa kristal UiO-66(Zr) masih dipertahankan.

Untuk menyelidiki lebih lanjut sifat-sifat komposit yang diperoleh, perilaku termal dari semua bahan murni dan komposit diselidiki. Seperti digambarkan dalam kurva TGA (Gambar 2), stabilitas termal ditemukan mengikuti urutan ZTC>PIM-1/80 wt% ZTC> UiO-66(Zr)> PIM-1/80 wt% UiO-66( Zr)> PIM-1>PIM-1/UiO-66(Zr)/ZTC (80% berat). Meskipun penggabungan ZTC menyebabkan peningkatan stabilitas termal komposit PIM/80 wt% ZTC, menarik untuk dicatat bahwa masuknya UiO-66(Zr) dalam komposit yang mengandung 3 bahan pengisi (PIM-1/ UiO-66(Zr)/ZTC (80 wt%)) memiliki stabilitas termal yang lebih rendah tetapi masih dalam kisaran yang menarik untuk sebagian besar bahan berpori

Secara umum, stabilitas termal PIM-1 (hingga 415 °C) diketahui karena adanya interaksi yang kuat dari gugus nitril (Du et al., 2008). Di sisi lain, penurunan berat UiO-66(Zr) pada suhu di bawah 150 °C sering dianggap berasal dari penguapan pelarut yang teradsorpsi dan/atau molekul air. Penurunan berat badan tambahan yang muncul dalam kisaran 150 hingga 362 °C dikaitkan dengan dehidroksilasi gugus Zr6 sebelum dimulainya penurunan berat akhir mulai dari 475 °C hingga MOF akhirnya terdegradasi menjadi ZrO2. Kecenderungan penurunan berat badan ini diamati pada semua komposit yang mengandung MOF yang disintesis dalam penelitian ini.

Transformasi Fourier infra-merah digunakan untuk menyelidik dan mengkonfirmasi komposisi kimia dari komposit yang dihasilkan dan cross-linking antara matriks PIM-1 dan bahan pengisi (ZTC dan UiO-66(Zr)). Pada Gambar 3, spektrum FTIR dari PIM-1 murni menampilkan peregangan CO (1.213–1.250 cm−1) (Chaukura dan Maynard-Atem, 2015), dan peregangan karakteristik nitril (–C≡N) (sekitar 2.229 cm− 1) (Patel dan Yavuz, 2012). Puncak intens di sekitar 1.446 cm−1 disebabkan oleh getaran regangan C = C dan puncak lainnya yang diamati pada 1.105–1.015 cm−1 dan 872 cm−1 dapat ditetapkan masing-masing untuk getaran regangan C-C dan C-O. Di sisi lain, spektrum IR murni UiO-66(Zr) menunjukkan puncak getaran karakteristik cincin benzena pada 1,510 dan 1,403 cm−1 yang sesuai dengan literatur yang dilaporkan (Luan et al., 2015). 

Puncak doublet yang intens pada 1.657 dan 1.581 cm-1 dapat dikaitkan dengan mode peregangan fase masuk dan keluar dari gugus karboksilat yang ada dalam penghubung asam tereftalat (Zhu et al., 2014). Puncak di sekitar 811, 748 dan 658 cm−1 sesuai dengan getaran O-H dan C-H pada ligan BDC (Yang et al., 2017).

Puncak lebar yang kuat yang diamati pada kisaran 3.300–3.500 cm−1 dikaitkan dengan keberadaan gugus hidroksil dari uap air yang teradsorpsi ke permukaan UiO-66 dan material komposit. Menurut Nishihara dkk. (2009), struktur molekul ideal ZTC memiliki situs tepi unit buckybowl yang mengandung berbagai jenis kelompok fungsional dan sejumlah besar oksigen.

Dalam hal ini, spektrum komposit ZTC murni dan PIM-1/80 wt% ZTC (Gambar 3) menunjukkan puncak pada sekitar 1.720 cm−1 yang dapat dianggap berasal dari peregangan C = O dan pita yang berbeda pada 1.600 cm−1 ditugaskan untuk keberadaan gugus karbonil. Pita lebar yang lemah dalam kisaran 1.000-1.400 cm-1 untuk sampel ZTC juga diamati oleh Nishihara et al. (2009) dan dapat dikaitkan dengan peregangan C-O. 

Pada suhu karbonisasi tinggi 900 ° C, selama proses dekomposisi uap kimia, gugus OH fenolik terdekomposisi sepenuhnya dan karenanya tidak adanya pita lebar khas dalam kisaran 3.200–3.400 cm−1 di ZTC murni (Fukuhara et al. , 2013). Di sisi lain, efek PIM-1 pada komposit (PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr) dan PIM-1/UiO-66(Zr)/ZTC (80 wt%)) ditemukan minimal dan puncak PIM-1 yang diharapkan ditutupi oleh keunggulan puncak UiO-66(Zr). Namun, dalam komposit ZTC PIM-1/80 wt% semua puncak PIM-1 diamati dengan jelas. Karena tidak adanya puncak baru pada komposit PIM-1/MOF/ZTC yang dihasilkan, tidak meyakinkan untuk mengkonfirmasi apakah ada ikatan silang yang terjadi antara pengikat polimer dan bahan pengisi.

Gambar SEM dari kedua zeolit ​​induk dan bahan rapi ZTC yang dihasilkan (seperti yang terlihat pada Gambar 4a,b,c) dengan jelas menunjukkan morfologi piramidal oktahedral yang hampir mirip seperti yang dilaporkan sebelumnya oleh Musyoka et al. (2016) dan Yang dkk. (2007). Morfologi kristal berbentuk oktahedral untuk UiO-66(Zr) juga diamati dan konsisten dengan laporan sebelumnya (Ren et al., 2014). Di sisi lain, gambar SEM untuk bahan komposit mengkonfirmasi bahwa ZTC dan UiO-66(Zr) terdispersi dengan baik dan tertanam dalam fase matriks PIM-1. Pada Gambar 4f, partikel MOF dan ZTC yang mendominasi terlihat terikat erat oleh PIM-1, menunjukkan distribusi bahan pengisi yang baik pada matriks seperti yang dilaporkan sebelumnya (Khdhayyer et al., 2017). 

Selain itu, citra SEM dari ketiga komposit tidak menunjukkan morfologi ayakan dalam kandang yang merupakan karakteristik adhesi permukaan partikel pengisi yang buruk ke PIM-1. Dengan demikian, melarutkan PIM-1 dalam pelarut TCE menyebabkan ujung rantai fluorida PIM-1 berinteraksi dengan gugus fungsi hidroksil dari penghubung BDC pada permukaan UiO-66(Zr) MOF dan mencegah polimer menghalangi pori-pori MOF. (Tien-Binh et al., 2016).

Gambar 5 menyajikan isoterm adsorpsi-desorpsi N2 dari PIM-1 murni, pengisi bubuk dan bahan komposit yang dihasilkan diukur pada 77 K. Isoterm serapan nitrogen dari ZTC dan UiO-66 (Zr) menunjukkan kenaikan adsorpsi yang curam/linier pada rendah rentang tekanan (0,0-0,1), menunjukkan sifat mikro mereka. Isoterm tipe I yang sama untuk karakteristik mikropori dipertahankan setelah dimasukkannya PIM-1 dan ini sesuai dengan hasil SEM dan PXRD, di mana baik morfologi maupun struktur kristal MOF tidak dihancurkan. PIM-1 dan PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr) menunjukkan isoterm tipe I yang digabungkan dengan perilaku isoterm tipe IV, yang menunjukkan adanya mikropori dan mesopori. Luas permukaan PIM-1 meningkat secara signifikan dari 785 menjadi 1.767 m2g−1 dan menjadi 2.433 m2g−1 dengan penambahan 40 wt% UiO-66 (Zr)/40 wt% campuran ZTC dan 80 wt% ZTC filler, yaitu setara dengan peningkatan 3 kali lipat seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Sebaliknya, PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr) menunjukkan sedikit peningkatan yaitu <2 kali lipat peningkatan. 

Dalam kebanyakan penelitian, komposit polimer MOF hanya dapat mencapai sekitar 60% dari nilai BET yang diharapkan karena efek pemblokiran pori yang jelas seperti yang dilaporkan oleh peneliti lain seperti MIL-101(Cr)@NIPAM (Wickenheisser et al., 2016), HKUST@HIPE (Schwab et al., 2008) dan UiO-66@polyurethane (Pinto et al., 2013). Padahal, komposit kami telah mencapai lebih dari 80% dari perkiraan luas permukaan dengan pengecualian sampel PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr) yang mencapai 62,8% menunjukkan bahwa ada pengurangan efek pemblokiran pori pada sampel yang mengandung ZTC. 

Hal ini dapat dikaitkan dengan tingkat stabilitas ZTC yang tinggi terhadap gangguan PIM-1, dimana terlihat bahwa komposit berbasis ZTC mempertahankan sebagian besar sifat fisiknya dibandingkan dengan PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr). Pengamatan serupa dilaporkan dalam studi terbaru untuk karbon aktif PIM-1/MIL-101 MOF dan PIM-1/AX21 (Tian et al., 2019), di mana bahan komposit berbasis karbon aktif menunjukkan peningkatan sifat fisik dan sifat penyimpanan H2 terbaik. pada pengukuran adsorpsi 0,1 dan 10 MPa.

Kurva adsorpsi hidrogen PIM-1/80 wt% ZTC, PIM-1/UiO-66(Zr)/ZTC (80% berat) dan PIM-1/80 wt% UiO-66(Zr) yang disajikan pada Gambar 6 menunjukkan sedikit penurunan ( 11% kehilangan) dalam penyerapan H2 yang masih pada nilai kapasitas tinggi yang dapat diterima (masing-masing 1,87, 1,65, dan 1,22 % berat) dan sebanding dengan nilai yang diperkirakan (2,11, 1,70, dan 1,29 % berat, masing-masing). Penyerapan H2 yang relatif tinggi dapat dikaitkan dengan luas permukaan yang tinggi dan jaringan mikropori yang dihasilkan ketika pori-pori mikro PIM-1 saling terhubung dengan pori-pori bagian dalam UiO-66 (Zr) dan ZTC membentuk jaringan pori mikro yang saling terhubung.

Studi yang ditunjukkan pada Tabel 2 bukan satu-satunya studi di mana PIM-1 dianggap sebagai matriks polimer dalam komposit karbon dan MOFs. Berbagai komposit berbasis PIM-1 telah dilaporkan untuk aplikasi lain, sebagian besar dalam MMM untuk aplikasi pemisahan gas. Beberapa contoh termasuk kombinasi PIM-1 dengan pengisi seperti GO (Alberto et al., 2017), nanotube karbon (Koschine et al., 2015), MOF-74 (Tien-Binh et al., 2016), ZIF- 67 (Wu et al., 2018), ZIF-8 (Benzaqui et al., 2016), dan COFs (Wu et al., 2017) MMM. 

Baru-baru ini, tampaknya ada minat yang meningkat dari fabrikasi komposit PIM-1 terhadap aplikasi penyimpanan H2. Komposit MOF kami menunjukkan nilai serapan H2 yang berada dalam kisaran yang sama dengan yang lain yang dilaporkan dalam literatur. Tabel 2 menunjukkan bahwa serapan H2 untuk semua bahan komposit meningkat dengan jumlah pengisian pengisi dan berkorelasi baik dengan luas permukaan BET semua sampel. 

Pengamatan lain yang umum di semua komposit, adalah bahwa kapasitas serapan H2 mereka sama dengan bahan murni atau dalam beberapa kasus (PIM-1/MIL-101(Cr) (8 wt%) (Molefe et al., 2019) dan PIM- 1/PAF (37,5 wt%) (Rochat et al., 2017) ditemukan melebihi nilai yang diharapkan yang menandakan retensi yang baik dari sifat intrinsik pengisi Meskipun demikian, seperti banyak bahan yang dilaporkan sebelumnya, komposit kami juga belum memenuhi semua target Departemen Energi Amerika Serikat (DOE) 2020 ditetapkan untuk sistem penyimpanan hidrogen mobil on-board (Lim et al., 2010).

Kesimpulan

Ringkasnya, komposit berbasis PIM-1 yang terdiri dari campuran UiO-66(Zr), ZTC, dan UiO-66(Zr)/ZTC berhasil dibuat. Hasil kami menunjukkan bahwa setelah pengomposisian, monolit yang diperoleh masih mempertahankan meso-mikroporositas dan sifat serapan H2 yang menguntungkan lainnya. Semua bahan komposit menunjukkan kinerja penyimpanan hidrogen yang lebih baik yang sesuai dengan nilai prediksi dengan kerugian yang dapat diabaikan < 12%. Hasilnya juga menunjukkan bahwa bahan komposit berbasis ZTC (luas permukaan BET 1.767–2.433 m2g−1) lebih stabil dan berhasil mempertahankan sebagian besar sifat intrinsik ZTC murni, dengan efek pemblokiran pori yang lebih sedikit jika dibandingkan dengan bahan berbasis MOF ( BET luas permukaan 1.054 m2g−1). Ditemukan bahwa interaksi antara matriks UiO-66(Zr) dan PIM-1 lebih bersifat fisik daripada kimia karena tidak ada pembentukan ikatan yang diamati. 

Studi ini menyajikan komposit PIM-1/80 wt% ZTC, PIM-1/UiO-66(Zr)/ZTC (880 wt%) yang mudah dibuat yang belum pernah dilaporkan sebelumnya. Namun demikian, material komposit ini masih memerlukan modifikasi lebih lanjut untuk meningkatkan kapasitas serapan H2 karena kapasitas gravimetri secara signifikan >4,5 wt. % diperlukan untuk mencapai target DOE yang ditetapkan, yang mungkin dicapai pada tekanan yang sedikit lebih tinggi dari 1 bar. Pekerjaan di masa depan akan fokus pada pengukuran konduktivitas termal komposit dan membandingkannya dengan bahan serupa lainnya.

LAYANAN ADY WATER

Jual zeolit untuk filter air jenis Batu, Pasir, dan Tepung. Kemasan zeolit per karung 20 kilogram dan eceran 4 kilogram. Sudah suplai zeolit ke industri Food and Beverage, berbagai BUMN, kebutuhan softener (Pelunak Air / Pengurang Kesadahan Air) rumah tangga. Ready Stock, kemampuan suplai hingga puluhan ton rutin per bulan

Nomor WA Sales Yang Mudah Dihubungi

Senang dapat membantu Anda, Semoga kami dapat segera menyelesaikan masalah air yang sedang Anda hadapi. Terimakasih

1. Ghani 0821 2742 4060

2. Yanuar 0812 2165 4304

3. Rusmana 0821 2742 3050

4. Fajri 0821 4000 2080

5. Kartiko 0812 2445 1004

6. Andri 0812 1121 7411

Alamat kantor/gudang Ady Water yang bisa dikunjungi langsung. 

Silahkan Bapak/Ibu mengunjungi alamat kantor/gudang kami. Kami akan melayani Anda dengan senang hati dan semoga dapat membantu masalah air yang sedang Anda hadapi. 

1. Alamat Bandung:

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

2. Alamat Jakarta Timur

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

3. Alamat Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

Katalog Ady Water

http://bit.ly/KatalogAdyWater