フッ素炭化水素由来炭素:水素性があるが,明らかに水害性がある

Amir H Farmahini¹, David S Sholl², Suresh K Bhatia¹

¹†School of Chemical Engineering, The University of Queensland (UQ), Brisbane, Queensland 4072, Australia.

Journal of the American Chemical Society

|April 25, 2015

まとめ

シリコンカーバイド由来炭素 (SiCDC) のフッ素ドーピングは,逆説的に,エネルギーバリアを作り,より高い吸収エネルギーにもかかわらず,水の吸収を制限することによって,水害性を増加させます. これは結合エネルギーを弱めることでCO2吸収に影響します.

科学分野:

マテリアルサイエンス材料科学
物理化学物理化学について
ナノテクノロジーナノテクノロジー

背景:

ナノポーラス・シリコン・カーバイド由来炭素 (SiCDC) は,吸附と分離のための有望な材料です.
フッ素ドーピングのような表面改変の影響を理解することは,材料の性能を最適化するために不可欠です.
排水性およびガス吸附性能は,SiCDCアプリケーションの重要なパラメータです.

研究の目的:

SiCDC.の水嫌性に対するフッ素ドーピングの影響を調査する.
水蒸気とCO2の吸附と拡散の障壁を,化および非化SiCDCで分析する.
フッ素化による物質特性における観測された変化の背後にあるメカニズムを解明する.

主な方法:

異なるフッ化レベルでのフッ化ドーピングされたSiCDCのための原子モデルの開発.
水とCO2の吸収と輸送をシミュレートするための新しい第一原理の力場の作成.
分子ダイナミクス (MD) シミュレーションを使用して,吸附運動学とエネルギーバリアを研究する.

主要な成果:

フッ素化により,水性表面が増えるが,微孔ネットワークのエネルギーバリアが強化されるため,全体的に水害性の高い構造が生じる.
酸化SiCDCにおける水吸収エネルギーと吸収の増加は,運動的に限られており,実用的な時間スケールでは観測できません.
フッ素化により,より大きな自由エネルギーバリアが形成され,孔網内の流体分子結合が強化されるため,表面的な水性を高めます.
CO2の場合は,フッ素化により,吸収エンタルピーと活性化エネルギーバリアが低下し,固体-液体の結合が弱まっていることを示します.

結論:

フッ素ドーピングはSiCDCに二重の効果を発揮し,水分吸収の運動的制限を通じた明らかな水嫌性を高めます.
観測された水性は,孔網内の流体分子結合のための自由エネルギーバリアの増加によって媒介されます.
フッ素化により,CO2の固体-流体結合が弱くなり,このガスの吸附特性が変化していることを示唆している.

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