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Aligned Carbon Nanotubes as Porous Materials for Selective Gas Adsorption

Rahimi, Mahshid :
Aligned Carbon Nanotubes as Porous Materials for Selective Gas Adsorption.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aligned Carbon Nanotubes as Porous Materials for Selective Gas Adsorption
Language: English
Abstract:

Carbon dioxide and sulfur dioxide are environmentally noxious components of flue and exhaust gases. Hence, new solutions for carbon dioxide and sulfur dioxide sequestration and storage are highly important. We used grand-canonical Monte Carlo simulations to understand the adsorption of carbon dioxide and sulfur dioxide in bundles of regular parallel arrays of carbon nanotubes of different tube diameters and different intertube distances. Such carbon nanotube arrays have recently become available experimentally; they are not only promising as sorption materials but, because of their reproducibility and regularity, serve also as ideal model systems for the study of gas adsorption in carbon-based materials. The geometrical properties of the nanotube arrays were varied in order to optimize the sorption capacity of the material. We also investigated how the adsorption changes when the nanotube arrays are positively or negatively charged, as electrically contacted carbon nanotube arrays are a possible functional material for electric swing adsorption devices. The adsorption isotherms showed that the intertube distance plays a more important role than the nanotube diameter. The highest adsorption among the intertube distance of carbon nanotubes depends strongly on applied pressure. For lower pressures, the lower intertube distances show higher adsorption. As the pressure increases, the intertube distance that maximizes the adsorption shifts to a higher value. Moreover, optimizing the intertube distance can increase the adsorption up to ~40 %, depending on the system and pressure. This is in agreement with experiments and shows the importance of the geometry optimization. Charging the carbon nanotubes with +0.04 e per atom of carbon increases the adsorption of carbon dioxide by up to 35% at p=1.88 bar while adding the same amount of negative charge to the carbon nanotubes causes the adsorption to decrease. This increase/decrease is due to the change in the potential energy for the interaction between the individual carbon dioxide molecules and the nanotube. The separation behavior of binary mixtures in carbon nanotubes is investigated using grand-canonical Monte Carlo simulations. The results show that the quantity and quality of the selectivity for each system depend on the intertube distance of nanotubes and the type of the adsorbate molecules. The main reason for having different selectivities is the difference between the strength of interactions between the nanotubes and the individual molecules of one gas compared to the other one. This difference is the highest for the SO2-N2 mixture, followed by CO2-N2 and finally SO2-CO2. Selectivity also follows the same order with SO2-N2 being the best in terms of selectivity. Furthermore, for a binary mixture of SO2-CO2, the selectivity towards sulfur dioxide is characterized as a nonlinear behavior as a function of intertube distance. On the other hand for CO2-N2 and SO2-N2, the close-packed nanotubes show the highest selectivity over the entire pressure range studied. The ideal adsorbed solution theory cannot predict the adsorption of the systems containing sulfur dioxide. The strong interaction between sulfur dioxide and nanotube leads to a high density and causes the gas behavior to be far from ideal. The presented simulation results and their agreement with experiments show that grand-canonical Monte Carlo simulation can be used as a pre-screening method for experiments. Furthermore, the results help to understand the mechanism and molecular origin of adsorption and separation behavior of gases on adsorbents. Moreover, they show the carbon nanotube arrays as a promising material for adsorption and separation of harmful gases and also as a potential technique for electrical swing adsorption that can be applied in very small adsorption/release devices and gas pumps.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kohlendioxid und Schwefeldioxid sind als umweltschädliche Komponenten in Rauch und Abgasen enthalten. Daher ist die Auffindung neuer Lösungen für die Sequestrierung und Speicherung dieser Stoffe von äußerster Wichtigkeit. Wir verwendeten grand-kanonischen Monte Carlo Simulationen, um die Adsorption von Kohlendioxid und Schwefeldioxid in vertikalen Anordnungen von Kohlenstoffnanoröhrchen verschiedener Rohrdurchmesser und unterschiedliche Zwischentubenentfernung zu verstehen. Solche Kohlenstoffnanoröhrchen wurden vor kurzem experimentell verfügbar; sie sind nicht nur vielversprechend als Sorptionsmaterialien, sondern auch wegen ihrer Reproduzierbarkeit und Regelmäßigkeit, sie dienen als ideale Modellsysteme für die Untersuchung der Gasadsorption in Kohlenstoff basierenden Materialien. Um die Sorptionskapazität des Materials zu optimieren, wurden die geometrischen Eigenschaften der Nanoröhrchen-Reihen variiert. Wir untersuchten die Änderung der Adsorption, wenn die Nanoröhrchen-Reihen positiv oder negativ beladen waren. Deshalb sind elektrisch kontaktiert Nanoröhrchen-Reihen ein mögliches Funktionsmaterial für elektrische Adsorptionsanlagegeräte. Dabei zeigten die Adsorptionsisothermen, dass die Zwischentubenentfernung eine wichtigere Rolle als die Nanoröhren-Durchmesser spielt. Die höchste Adsorption zwischen der Zwischentubenentfernung von Kohlenstoffnanoröhren hängt stark vom angewandten Druck ab. Für niedrigere Drücke zeigten die niedrigeren Zwischentubenentfernungen eine höhere Adsorption. Wenn der Druck ansteigt, verschiebt sich der Zwischenrohrabstand, der die Adsorption maximiert, zu höheren Werten. Außerdem kann die Optimierung der Zwischentubenentfernung die Adsorption bis zu ~40 % vergrößern, was von System und Druck abhängt. Das steht in Übereinstimmung mit den Experimenten und zeigt die Wichtigkeit der Optimierung der Geometrie. Das Laden der Kohlenstoffnanoröhren mit 0,04 e pro Atom von Kohlenstoff erhöht die Adsorption von Kohlendioxid bis zu 35% an p=1,88 bar, wohingegen die Zugabe der gleichen Menge an negativer Ladung die Adsorption verringert. Diese Zunahme / Abnahme ist wegen der Änderung der potentiellen Energie für die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Kohlendioxid-Moleküle und der Nanoröhre verantwortlich. Das Trennverhalten binärer Mischungen in Kohlenstoffnanoröhren wurde mit grand-kanonischen Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge und Qualität der Selektivität für jedes System von der Zwischentubenentfernung der Nanoröhren und der Art der Adsorbatmoleküle abhängig ist. Die höchste Selektivität wird für SO2-N2 Mischung beobachtet, gefolgt von der von CO2-N2 und schließlich von SO2-CO2. Außerdem wird für eine binäre Mischung von SO2-CO2 die Selektivität zum Schwefeldioxyd als nichtlineares Verhalten mit einer Funktion der Zwischentuben-entfernung charakterisiert. Andererseits zeigen die dicht gepackten Nanoröhren für CO2-N2 und SO2-N2 die höchste Selektivität über den gesamten untersuchten Druckbereich. Die ideale Adsorptionslösungstheorie kann die Adsorption der Schwefeldioxyd enthaltenden Systeme nicht voraussagen. Die starke Wechselwirkung zwischen Schwefeldioxid und Nanoröhre führt zu einer hohen Dichte und bewirkt ein Verhalten der Gase, welches zu weit vom Ideal entfernt zu sein scheint. Die vorgestellten Simulationsergebnisse und ihre Übereinstimmung mit den experimentellen zeigen, dass grand-kanonischen Monte-Carlo-Simulation als Pre-Screening-Methode für Experimente verwendet werden können. Weiterhin helfen die Ergebnisse, den Mechanismus und die molekularen Grundlagen der Adsorption und das Trennverhalten von Gasen auf Adsorptionsmittel zu verstehen. Außerdem zeigen die Kohlenstoffnanoröhrchen- Reihen ein vielversprechendes Material für die Adsorption und Trennung von schädlichen Gasen und haben auch das Potenzial für die elektrische Swing Adsorption, um für sehr kleine Geräte der Adsorption/Ausgabe und Gaspumpen verwendet zu werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Computational Physical Chemistry
Date Deposited: 04 Mar 2016 10:36
Last Modified: 04 Mar 2016 10:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53356
Referees: Müller-Plathe, Prof. Dr. Florian and van Der Vegt, Prof. Dr. Nico
Refereed: 18 January 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5335
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