Hierarchical porous carbon with tunable apertures and nitrogen/oxygen heteroatoms for efficient adsorption and separation of VOCs

杂原子 吸附 甲醇 氮气 碳纤维 活性炭 化学工程 多孔性 分子 微型多孔材料 化学 材料科学 无机化学 有机化学 复合材料 工程类 复合数 戒指(化学)
作者
Yang Guo,Changqing Su,Hongyu Chen,Jinxian Wang,Baogen Liu,Zheng Zeng,Liqing Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:471: 144558-144558 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144558
摘要

Porous carbon materials are good adsorbent candidates for removing volatile organic compounds (VOCs) due to their reliability and cost-effectiveness. Especially, the pore size distribution (PSD) of porous carbon materials plays a critical role in VOCs adsorption and separation. In this study, we present benzimidazole-derived porous carbons (BICs) with controllable pore size and oxygen/nitrogen heteroatoms. The pore size is controlled by adjusting the reaction degree of inorganic salt (K2CO3) and nitrogen-containing groups in the system. The tunable pore size distribution makes BICs highly efficient for the adsorption and separation of VOCs. BIC-3-900 exhibits a dominant pore size distribution of 3.0–4.0 nm and an exceptionally high total pore volume of 2.42 cm3/g, leading to ultra-high adsorption capacities for benzene and methanol (22.19 and 52.65 mmol/g, respectively) at 293 K. In addition, BIC-1-700 dominated by the micropore size is more favorable for adsorbing low-concentration small molecule VOCs (with a dynamic adsorption capacity of 4.21 mmol/g for methanol at 3800 ppm). In terms of the adsorptive separation performance, BIC-1-900 has an efficient benzene/methanol selectivity (∼30.13) due to its PSD (1.2–2.0 nm) which was more favorable for capturing low-concentration benzene. Moreover, both experimental and simulation (GCMC and DFT) results demonstrate that the abundant N/O heteroatoms doping in BIC-1-700 results in charge heterogeneity and stronger electrostatic affinity for polar VOCs molecules. Herein, our findings suggest that BICs with controllable pore size and oxygen/nitrogen heteroatoms have significant potential in practical VOCs capture and separation.
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