Análise comparativa do processo de adsorção de água em membranas a base de grafeno e óxido de grafeno através da simulação computacional

Abstract

Resumo: A adsorção física de gases em membranas baseadas em óxido de grafeno é uma área promissora de pesquisa que tem atraído considerável atenção nos últimos anos. O óxido de grafeno (GO), é um material bidimensional que consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal (tipo favo de mel) decorado por grupos funcionais oxigenados. Devido às suas propriedades bem peculiares, o GO pode ser usado para criar membranas com alta seletividade e permeabilidade para moléculas específicas. Além disso, o tamanho dos poros na membrana pode ser ajustado para adsorver seletivamente moléculas de um determinado tamanho. Neste trabalho, usando duas técnicas complementares de simulação computacional, dinâmica molecular (M D) e método de Grande Canônico Monte Carlo (GCMC) investigamos a adsorção física de moléculas de água em membranas grafeno e GO. Os sistemas considerados foram membrana de grafeno+água e membrana de GO+água têm como parâmetros de controle (i) a distância entre camadas, neste trabalho consideramos três casos: L\ = 6 , 61 Ã, L 2 = 9,91 Ã e L 3 = 13, 22 Ã; (ii) a temperatura T = 300 e T = 350 K; e (iii) pressão com valores entre p = 0 a p = 1 0 atm. Para a membrana de grafeno, os cálculos mostraram uma grande capacidade destas membranas em adsorver moléculas de água e o surgimento de dois regimes de preenchimento, que dependem do espaçamento (L ) entre camadas e da temperatura T . Quanto maior o valor de L e/ou T , maior o valor da pressão necessária para haver o preenchimento. Mas no regime de saturação (p > 1 atm) a quantidade adsorvida cresce com L. No caso da membrana de GO, consideramos quatro casos (modelos) de GO, em que a diferença entre eles foi o número de hidroxilas presentes no plano basal: go-01 (0,53% hidroxila), go-02 ( 1,04 % de hidroxila), go-04 (2,084% de hidroxila) e go-06 (3,13% de hidroxilas). Individualmente, as membranas de GO apresentaram o mesmo comportamento qualitativo das membranas de grafeno. Porém, quantitativamente, houve uma diferença considerável, quanto maior o número de hidroxilas, menor o valor da quantidade de água adsorvida. Uma explicação parcial para este resultado, é discutida neste trabalho, está ligada à quebra da organização estrutural das pontes de hidrogênio formada pelas moléculas de água dentro das membranas pelas hidroxilas. Embora tenhamos observado uma redução na quantidade adsorvida de água com o aumento dos grupos oxigenados, é fundamental observar que experimentalmente as folhas de grafeno puro possuem uma distância tipica de ^ 3,5 Ã, o que inviabilizaria o seu uso como membranas seletivas. Desta forma, a melhor alternativa, vista na literatura, é oxidar o grafeno puro, tornando-o GO, o qual possui o espaçamento necessário para o seu uso como membrana seletiva.

Abstract: The physical adsorption of gases on graphene oxide-based membranes is a promising area of research th a t has garnered considerable attention in recent years. Graphene oxide (GO) is a two-dimensional material consisting o f a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal (honeycomb-like) lattice decorated with oxygenated functional groups. Due to its unique properties, GO can be utilized to create membranes with high selectivity and permeability for specific molecules. Furthermore, the pore size in the membrane can be adjusted to selectively adsorb molecules o f a particular size. In this study, using two complementary computational simulation techniques— molecular dynamics (M D ) and the Monte Carlo method (GCMC), we investigated the physical adsorption o f water molecules in Graphene and GO membranes. The systems considered were graphene membrane + water and GO membrane + water, with control parameters: (i) the interlayer distance, considering three cases in this study: L i= 6 .6 1 A, L 2=9.91 A, and L 3=13.22 A; (ii) temperature, T = 300 K and T = 350 K; and (iii) pressure ranging from p = 0 atm to p = 1 0 atm. For the graphene membrane, the calculations showed a significant capacity of these membranes to adsorb water molecules and the emergence o f two filling regimes, dependent on the spacing (L ) between layers and temperature T . A larger L value and/or higher T led to a higher pressure requirement for filling. However, under saturation conditions (p > 1 atm), the adsorbed amount increased with L. In the case of the GO membrane, we considered four GO models, differing in the number of hydroxyl groups present on the basal plane: go-01 (0,53% of hydroxyl), go-02 (1,04% o f hydroxyls), go-04 (2,84% of hydroxyls), and go-06 (3,13% o f hydroxyls). Individually, the GO membranes exhibited the same qualitative behavior as the graphene membranes. However, quantitatively, there was a considerable difference: the higher the number of hydroxyls, the lower the amount of adsorbed water. A partial explanation for this result discussed in this study is linked to the disruption of the structural organization of hydrogen bonds formed by water molecules within the membranes due to the hydroxyls. Although a reduction in adsorbed quantity was observed with an increase in oxygenated groups, it is essential to note that experimentally, pure graphene sheets have a typical distance o f ~ 3.5 A, making them unsuitable for use as selective membranes. Thus, the best alternative, as seen in the literature, is to oxidize pure graphene, turning it into GO, which possesses the necessary spacing for its use as a selective membrane.