Effekterna av den globala uppvärmningen blir allt allvarligare och det finns en stark efterfrågan på tekniska framsteg för att minska koldioxidutsläppen. Väte är en idealisk ren energi som producerar vatten vid förbränning. För att främja användningen av väteenergi är det viktigt att utveckla säkra, energibesparande tekniker för produktion och lagring av väte. För närvarande tillverkas väte av naturgas, så det är inte lämpligt för avkolning. Att använda mycket energi för att separera väte skulle inte göra det kvalificerat som ren energi.

Polymerseparationsmembran har den stora fördelen att de förstorar separationsmembranet och ökar separationskoefficienten. Genomträngningshastigheten genom membranet är emellertid extremt låg, och högt tryck måste appliceras för att öka genomträngningshastigheten. Därför krävs en stor mängd energi för separation med användning av ett polymerseparationsmembran. Målet är att skapa en ny typ av separationsmembranteknologi som kan uppnå separationshastigheter som är 50 gånger snabbare än konventionella separationsmembran.

Det grafenlindade molekylsiktningsmembranet som framställts i denna studie har en separationsfaktor på 245 och en permeationskoefficient på 5,8 x 10 ⁶ barrers, vilket är mer än 100 gånger bättre än konventionella polymerseparationsmembran. Om storleken på separationsmembranet utökas i framtiden är det mycket troligt att en energibesparande separationsprocess kommer att etableras för separering av viktiga gaser som koldioxid och syre samt väte.

Som ses i transmissionselektronmikroskopbilden i figur 1, är grafen lindad runt zeolitkristallen av MFI-typ, eftersom den är hydrofob. Omslaget använder principerna för kolloidal vetenskap för att hålla grafen- och zeolitkristallplan nära varandra på grund av minskningen av den frånstötande interaktionen. Cirka fem lager grafen omsluter zeolitkristaller i denna figur. Runt den röda pilen finns ett smalt gränssnittsutrymme där endast väte kan tränga igenom. Grafen finns också på hydrofob zeolit, så strukturen på zeolitkristallen kan inte ses med denna. Eftersom en stark attraktionskraft verkar mellan grafen, är zeolitkristallerna omslagna med grafen i nära kontakt med varandra genom en enkel kompressionsbehandling och släpper ingen gas igenom.

Figur 2 visar en modell där zeolitkristaller lindade med grafen är i kontakt med varandra. Zeolitkristallens yta har spår som härrör från strukturen, och det finns en gränssnittskanal mellan zeolit ​​och grafen genom vilken vätemolekyler kan selektivt tränga igenom. Modellen där de svarta cirklarna är sammankopplade är grafen, och det finns nanofönster representerade av blanka på vissa ställen. Vilken gas som helst kan fritt tränga igenom nanofönstren, men de mycket smala kanalerna mellan grafen- och zeolitkristallytorna tillåter väte att tränga igenom preferentiellt. Denna struktur möjliggör effektiv separation av väte och metan. Å andra sidan är väterörelsen snabb eftersom det finns många tomrum mellan de grafenlindade zeolitpartiklarna. Av denna anledning är ultrahöghastighetspermeation möjlig samtidigt som den höga separationsfaktorn på 200 eller mer bibehålls.

Figur 3 jämför väteseparationsfaktorn och gaspermeationskoefficienten för metan med de tidigare rapporterade separationsmembranen. Detta separationsmembran separerar väte med en hastighet av cirka 100 gånger samtidigt som det upprätthåller en högre separationskoefficient än konventionella separationsmembran. Ju längre i pilens riktning, desto bättre prestanda. Detta nyutvecklade separationsmembran har banat väg för energibesparande separationstekniker för första gången.

Dessutom skiljer sig denna separationsprincip från den konventionella upplösningsmekanismen med polymerer och separationsmekanismen med porstorlek i zeolitseparationsmembran, och den beror på separationsmålet genom att välja ytstrukturen för zeolit ​​eller annan kristall. Höghastighetsseparering för valfri målgas är i princip möjlig. Av denna anledning, om den industriella tillverkningsmetoden för detta separationsmembran och separationsmembranet blir skalbart, kan den kemiska industrin, förbränningsindustrin och andra industrier åtnjuta avsevärt förbättrad energiförbrukning, vilket leder till en betydande minskning av koldioxidutsläppen. För närvarande bedriver gruppen forskning mot etablering av grundläggande teknologi för att snabbt producera en stor mängd anrikat syre från luft. Utvecklingen av anrikad syretillverkningsteknik kommer att revolutionera stål- och kemisk industri och till och med medicinen.

Forskningen publicerades i Science Advances . + Utforska vidare

Precisionssiktning av gaser genom atomära porer i grafen