Väte är ett av de mest förekommande elementen på jorden och en exceptionellt ren bränslekälla. Medan den tar sig in i elbilarnas bränsleceller, bussar och tung utrustning, dess utbredda användning hämmas av den dyra gasseparationsprocess som krävs för att producera rent väte. Men den processen kan snart bli mer effektiv och kostnadseffektiv tack vare en upptäckt av ett internationellt team av forskare, ledd i USA av Drexel University. Gruppen har avslöjat exceptionellt effektiva gasseparationsegenskaper i ett nanomaterial som kallas MXene som skulle kunna införlivas i membranen som används för att rena väte.

Även om väte finns i en mängd olika molekyler och material i naturen - vatten, en kombination av väte och syre, främst bland dem - det finns inte naturligt i sin rena elementära form - dvs. väte på egen hand, på jorden. För att separera väte från de andra grundämnen som det vanligtvis binder till, det kräver att man inför en elektrisk ström för att excitera och dela isär atomerna i vattenmolekyler, eller filtrering av en gasblandning som innehåller väte, genom ett membran för att separera vätet från koldioxid eller kolväten.

Processen för gasseparation via membran är det effektivare och mer prisvärda alternativet, så de senaste åren har forskare ökat ansträngningarna för att utveckla membran som grundligt och snabbt kan filtrera bort väte.

En studie som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation , indikerar att användning av MXen-material i gasseparationsmembran kan vara det mest effektiva sättet att rena vätgas. Forskningen, ledd av Haihui Wang, PhD, en professor från South China University of Technology och Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University och Bach professor vid Drexel's College of Engineering, vid institutionen för materialvetenskap och teknik, visar att nanomaterialets tvådimensionella struktur gör det möjligt för det att selektivt avvisa stora gasmolekyler, samtidigt som det låter väte glida mellan lagren.

"I den här rapporten visar vi hur exfolierade tvådimensionella MXene-nanoskikt kan användas som byggstenar för att konstruera laminerade membran för gasseparation för första gången, " Sa Gogotsi. "Vi demonstrerade detta med hjälp av modellsystem av väte och koldioxid."

Arbetar i samarbete med forskare från South China University of Technology och Jilin University, i Kina, och Leibniz universitet i Hannover, i Tyskland, Drexel-teamet rapporterade att membran skapade med MXene nanosheets överträffar de toppmoderna membranmaterialen som för närvarande används - både vad gäller permeabilitet och selektivitet.

Många olika typer av membran används för närvarande inom energiindustrin, till exempel för att rena kylvätska innan det släpps ut, och för raffinering av naturgas innan den distribueras för användning. Gassepareringsanläggningar använder dem också för att hämta kväve och syre från atmosfären. Denna studie öppnar dörren för en utökad användning av membranteknologi, med möjlighet att skräddarsy filtreringsanordningarna för att sålla bort ett stort antal gasformiga molekyler.

MXenes fördel gentemot material som för närvarande används och utvecklas för gasseparation är att både dess permeabilitet och filtreringsselektivitet är kopplade till dess struktur och kemiska sammansättning. Däremot andra membranmaterial, såsom grafen och zeolit, gör sin filtrering endast genom att fysiskt fånga - eller sikta - molekyler i små galler och kanaler, som ett nät.

MXenes speciella filtreringsegenskaper finns eftersom de skapas genom att kemiskt etsa ut lager från en fast bit material, kallas en MAX -fas. Denna process bildar en struktur som mer liknar en svamp, med slitsporer i olika storlekar. Gogotsis forskningsgrupp för nanomaterial, som har arbetat med MXenes sedan 2011, kan förbestämma storleken på kanalerna genom att använda olika typer av MAX-faser och etsa dem med olika kemikalier.

Kanalerna själva kan skapas på ett sätt som gör dem kemiskt aktiva, så att de kan attrahera - eller adsorbera - vissa molekyler när de passerar igenom. Således, ett MXene -membran fungerar mer som ett magnetiskt nät och det kan utformas för att fånga en mängd olika kemiska arter när de passerar igenom.

"Detta är en av de viktigaste fördelarna med MXenes, "Gogotsi sa." Vi har dussintals MXener tillgängliga som kan ställas in för att ge selektivitet till olika gaser. Vi använde titankarbid MXene i denna studie, men det finns minst två dussin andra MXenes redan tillgängliga, and more are expected to be studied in the next couple of years - which means it could be developed for a number of different gas separation applications."

The versatile two-dimensional material, which was discovered at Drexel in 2011, has already shown its ability to improve efficiency of electric storage devices, stave off electromagnetic interference and even purify water. Studying its gas separation properties was the next logical step, according to Gogotsi.

"Our work on water filtration, the sieving of ions and molecules, and supercapacitors, which also involves ion sieving, suggested that gas molecules may also be sieved using MXene membranes with atomically thin channels between the MXene sheets, " he said. "However, we were lacking experience in the gas separation field. This research would not have been possible without our Chinese collaborators, who provided the experience needed to achieve the goal and demonstrated that MXene membranes can efficiently separate gas mixtures."

In order for MXene to make its way into industrial membranes, Gogotsi's group will continue to improve its durability, chemical and temperature stability and reduce the cost of production.