Gyroidal nanoporous carbons - Adsorption and separation properties explored using computer simulations

Abstract

Adsorption and separation properties of gyroidal nanoporous carbons (GNCs) - a new class of exotic nanocarbon materials are studied for the first time using hyper parallel tempering Monte Carlo Simulation technique. Porous structure of GNC models is evaluated by the method proposed by Bhattacharya and Gubbins. All the studied structures are strictly microporous. Next, mechanisms of Ar adsorption are described basing on the analysis of adsorption isotherms, enthalpy plots, the values of Henry’s constants, αs and adsorption potential distribution plots. It is concluded that below pore diameters ca. 0.8 nm, primary micropore filling process dominates. For structures possessing larger micropores, primary and secondary micropore filling mechanism is observed. Finally, the separation properties of GNC toward CO₂/CH₄, CO₂/N₂, and CH₄/N₂ mixtures are discussed and compared with separation properties of Virtual Porous Carbon models. GNCs may be considered as potential adsorbents for gas mixture separation, having separation efficiency similar or even higher than activated carbons with similar diameters of pores.

Адсорбцiя i особливостi роздiлення у гiроїдних нанопористих вуглецях (GNC), новому класi екзотичних нановуглецевих матерiалiв, вперше дослiджено, використовуючи метод моделювання Монте Карло з гiперпаралельним темперуванням. Пориста структура GNC моделей оцiнюється методом, запропонованим Бхатачарiя i Губiнсом. Всi дослiдженi структури є строго мiкропористi. Крiм того, механiзми адсорбцiї Ar описуються на основi аналiзу iзотерм адсорбцiї, кривих ентальпiї, значень сталих Генрi, αs та кривих розподiлу потенцiалу адсорбцiї. Зроблено висновок, що при дiаметрах пор близьких або менших за 0.8 nm домiнує процес заповнення первинних мiкропор. Для структур, що мають бiльшi мiкропори, спостерiгається механiзм заповнення первинних та вторинних мiкропор. Нарештi, описано властивостi роздiлення CO₂/CH₄, CO₂/N₂, і CH₄/N₂ сумiшей у GNC i виконано порiвняння з властивостями роздiлення моделей Вiртуального Пористого Вуглецю. Гiроїднi пористi вуглецi можна розглядати як потенцiйнi адсорбенти для роздiлення газових сумiшей, якi володiють аналогiчною або навiть вищою ефективнiстю роздiлення, нiж активований вуглець з подiбним дiаметром пор.