Kemiska ingenjörer på EPFL har för första gången visat att ett atomtjockt grafenmembran kan separera gasblandningar med hög effektivitet. Det "ultimata" membranet är skalbart, vilket gör det till ett genombrott för industrigasseparation.

Separera blandade gaser, som luft, i deras enskilda komponenter är en process med flera industriella applikationer, inklusive biogasproduktion, luftberikning i metallbearbetning, avlägsnande av giftiga gaser från naturgas, och väteutvinning från ammoniakanläggningar och oljeraffinaderier.

Gasseparering sker vanligtvis med användning av syntetiska membran tillverkade av polymerer (t.ex. cellulosa) eller andra material. Under de senaste åren har forskning har vänt sig till vad många kallar det "ultimata" membranet:ett lager grafen, en enda atom i tjocklek, som nu har visat sig vara den tunnaste molekylära barriären och därmed det mest effektiva membranet, erbjuder utmärkt genomsläpplighet kombinerat med robusthet och skalbarhet.

Dock, framstegen med att utveckla grafen har mött två "flaskhalsar":För det första, brist på metoder för att införliva porer av molekylär storlek i lagret av grafen, och andra, brist på metoder för att faktiskt tillverka mekaniskt robust, sprick- och rivfri, membran med stor yta.

Nu, i ett genombrott som löser båda problemen, teamet av Kumar Varoon Agrawal på EPFL Valais Wallis har utvecklat ett stort område, ettskikts grafenmembran som kan separera väte från metan med hög effektivitet (separationsfaktor upp till 25), och en aldrig tidigare skådad vätegenomsläpplighet från en porositet som endast var 0,025%.

Membranet innehåller nanoporer för att tillåta väte att tränga igenom, för det som kallas "gassilning". Membranet var stabilt vid industritryck och temperaturer (minst upp till 7 bar och 250 ºC). Men ännu viktigare, laget kunde producera en yta på 1 kvadrat millimeter - betydligt större än tidigare rapporter, där endast några få kvadratmikrometer kunde syntetiseras utan sprickor. Agrawals grupp arbetar nu med att införliva högre densitet av nanoporer i grafen, att få grafen att inse sin sanna potential.

"Den nya tekniken för att producera sprickfria grafenskikt kommer att gå långt för att förverkliga den ultimata prestandan för de atomtjocka grafenmembranen för ett antal viktiga kemiska separationer, inklusive kolavskiljning, väteåtervinning och rening av rent dricksvatten, säger Agrawal.