31501

مطالعه تجربي جاذب هاي پايه مكسيني كاربيد تيتانيومي براي جذب و حسگري گاز كربن دي اكسيد

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1400

Experimental study of titanium carbide MXene based adsorbents for carbon dioxide gas adsorption and sensing

دكتر احد قائمي

دكتر حسن فرخ زاد

دانشكده مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين تحقيق، مكسين كاربيد تيتانيومي (Ti3C2Tx) سنتز شده به دو روش متفاوت و نمونه هاي Ti3C2Tx اصلاح شده با KOH براي جذب و حسگري گاز كربن دي اكسيد مورد بررسي قرار گرفتند. تحليل‌هاي ساختاري با استفاده از تكنيك‌هاي XRD، FTIR، BET و SEM نشان دادند كه اصلاح Ti3C2Tx با KOH منجر به افزايش مكان هاي فعال سطح و تغيير در ساختار لايه هاي مكسين (جدايش بيشتر لايه‌ها و تشكيل حفرات بزرگ‌تر) مي‌شود كه به بهبود جذب و حسگري كربن دي اكسيد كمك مي‌كند. ظرفيت جذب نمونه بهينه Ti3C2Tx-KOH 20 برابر با 14.2 ميلي‌مول بر گرم در شرايط 9 بار و دماي 25 درجه سانتي‌گراد بود كه بهبود قابل توجهي نسبت به نمونه خالص Ti3C2Tx-LiF/HCl (11.61 ميلي‌مول بر گرم) نشان داد. براي بهينه‌سازي شرايط جذب، از روش سطح پاسخ (RSM) با طراحي مركب مركزي استفاده شد و نتايج نشان دادند كه دما، فشار و درصد وزني KOH پارامتر هاي كليدي موثر بر ظرفيت جذب هستند. تحت شرايط بهينه (25 درجه سانتي‌گراد، فشار 5.643 بار و 20.946 درصد وزني KOH)، ظرفيت جذب 9.837 ميلي‌مول بر گرم حاصل شد. مدل ايزوترم فروندليچ بهترين برازش را با داده‌هاي تجربي جذب داشت و نشان داد كه جذب كربن دي اكسيد بر روي نمونه بهينه، فيزيكي، چندلايه‌اي و بر روي سطحي ناهمگن انجام مي‌شود. نتايج سينتيكي نيز نشان داد كه مدل سينتيكي مرتبه كسري بهترين تطابق را با داده‌ها دارد و فرآيند جذب تحت تأثير واكنش‌هاي پيچيده‌اي با مسيرهاي واكنش چندگانه است. تحليل ترموديناميكي جذب، گرمازا بودن و خودبه‌خودي بودن فرآيند جذب را تأييد كرد. در آناليز احياي چرخه‌اي، نمونه بهينه Ti3C2Tx-KOH 20 پس از 10 چرخه جذب و احيا، حدود 97.23% از ظرفيت اوليه جذب خود را حفظ كرد، كه نشان‌دهنده پايداري و تكرارپذيري بالاي اين جاذب در شرايط عملياتي مختلف است. در بخش حسگري، حسگر مبتني بر Ti3C2Tx-KOH 20 عملكرد بهتري در تشخيص CO₂ نسبت به حسگر Ti3C2Tx-LiF/HCl نشان داد. حسگر Ti3C2Tx-KOH 20 زمان پاسخ كوتاه‌تر (17 ثانيه) و زمان بازيابي سريع‌تر (23 ثانيه) نسبت به حسگر Ti3C2Tx-LiF/HCl (زمان پاسخ 21 ثانيه و زمان بازيابي 38 ثانيه) در 10% حجمي CO2 داشت. همچنين، حساسيت حسگر Ti3C2Tx-LiF/HCl و Ti3C2Tx-KOH 20 به ترتيب برابر 31.109 و 48.627 نسبت به CO2 خالص بود. ارزيابي پايداري حسگرها در دوره 30 روزه، كاهش پاسخ كمتر از 3.92% را براي حسگر Ti3C2Tx-KOH 20 نشان داد، كه نشان‌دهنده عملكرد پايدار و قابل اعتماد اين حسگر در طولاني‌مدت است. اين پژوهش نشان داد كه نمونه Ti3C2Tx-KOH 20، به دليل بهينه‌سازي‌هاي ساختاري و عملكردي، به‌عنوان يك جاذب و حسگر موثر براي CO2مطرح شده و پتانسيل قابل توجهي براي بهره‌برداري در كاربردهاي صنعتي و زيست ‌محيطي دارد.

1403/08/21

Experimental study of titanium carbide MXene based adsorbents for carbon dioxide gas adsorption and sensing

11/3/2024 12:00:00 AM

In this study, titanium carbide MXene (Ti3C2Tx) synthesized by two different methods, along with Ti3C2Tx samples modified with KOH, were investigated for carbon dioxide (CO2) adsorption and sensing applications. Structural analyses using XRD, FTIR, BET, and SEM revealed that KOH modification of Ti3C2Tx increases active surface sites and alters the MXene’s layered structure (greater layer separation and formation of larger pores), enhancing CO2 adsorption and sensing capabilities. The adsorption capacity of the optimized Ti3C2Tx-KOH 20 sample reached 14.2 mmol/g under 9 bar pressure and 25°C, showing significant improvement compared to pristine Ti3C2Tx-LiF/HCl (11.61 mmol/g). For adsorption optimization, Response Surface Methodology (RSM) with a Central Composite Design was employed, showing that temperature, pressure, and KOH weight percentage are key factors influencing adsorption capacity. Under optimal conditions (25°C, 5.643 bar, and 20.946 wt% KOH), an adsorption capacity of 9.837 mmol/g was achieved. The Freundlich isotherm model best fit the experimental adsorption data, indicating that CO₂ adsorption on the optimized sample is a physical, multilayer process on a heterogeneous surface. Kinetic studies further showed that the fractional-order kinetic model provided the best fit, suggesting complex adsorption processes involving multiple reaction pathways. Thermodynamic analysis confirmed that the adsorption process is exothermic and spontaneous. In cyclic regeneration analysis, the optimized Ti3C2Tx-KOH 20 sample retained approximately 97.23% of its initial adsorption capacity after 10 adsorption-regeneration cycles, demonstrating high stability and reusability under various operational conditions. In sensing applications, the Ti3C2Tx-KOH 20-based sensor showed superior CO₂ detection performance compared to the Ti3C2Tx-LiF/HCl sensor. Specifically, the Ti3C2Tx-KOH 20 sensor exhibited a shorter response time (17 seconds) and faster recovery time (23 seconds) compared to the Ti3C2Tx-LiF/HCl sensor (response time of 21 seconds and recovery time of 38 seconds) at 10 vol% CO₂. Moreover, the sensitivities of the Ti3C2Tx-LiF/HCl and Ti3C2Tx-KOH 20 sensors to pure CO₂ were 31.109 and 48.627, respectively. Stability assessment over a 30-day period showed less than 3.92% reduction in response for the Ti3C2Tx-KOH 20 sensor, indicating reliable and stable long-term performance. This study demonstrates that the Ti3C2Tx-KOH 20 sample, due to its structural and functional optimizations, is an effective CO₂ adsorbent and sensor, holding significant potential for industrial and environmental applications.

جذب، حسگري، مكسين كاربيد تيتانيومي، پتاسيم هيدروكسيد، كربن دي اكسيد

adsorption, sensing, titanium carbide MXene, potassium hydroxide, carbon dioxide

Karim Mansouri

Dr. Ahad Ghaemi