UNSW-forskare har visat hur en ny klass av lågkostnadsgrafenbaserade membran - en typ av filter som används i industrisektorer som genererar enorma blandade avgaser, såsom fast plastavfall, bioavfall eller avloppsvatten - kan selektivt ställas in för att separera olika gaser från gasformiga blandningar.

Laget, ledd av Dr. Rakesh Joshi i UNSW Science, hoppas att på spåret, de kommer att kunna använda dessa filter för att separera och fånga gaser som har ansetts vara avfall, och därför förbättra vårt sätt att använda spillgasresurser.

Pappret, publiceras denna månad i Avancerade material , beskriver fynd som gjorts i labbet, på en prototyp. Nu vill forskarna utveckla filtret ytterligare för att göra det tillgängligt för industrin.

Specifikt, laget studerade grafenoxidfilter som - till skillnad från alla andra nuvarande filter - innehöll järn.

"Grafen, ett tunt ark av kolatomer som bildas i ett bikakemönster, anses vara ett underverk som är starkare än stål. I detta arbete, vi införlivade i huvudsak järn i grafenoxidfilter, utnyttjar det faktum att dessa membran är ultratunna, " säger huvudforskaren Dr. Rakesh Joshi.

"Vi fann att detta förbättrade grafenoxidens förmåga att transportera gas. Det visar sig att lägga till järnet - vilket är vad vi kallar en övergångsmetall - till grafenoxidmembranen gjorde att vi kunde separera olika gaser mer effektivt än med andra typer av filter.

"Särskilt, materialet var bra på att öka genomsläppligheten - det vill säga hur snabbt en gasmolekyl transporteras genom filtret – och selektivitet, som representerar hur effektivt gasen separeras från blandningen under transporten. Faktiskt, vårt filter har selektivitet utan motstycke. "

Separera koldioxid från kväve

Forskarna säger att filtret som beskrivs i detta dokument också tillät dem att återvinna värdefulla resurser genom att selektivt separera koldioxid från kväve.

"Högrenat kväve används i stor utsträckning vid materialbearbetning - till exempel inom halvledartillverkning – såväl som inom elektroniska, syntetisk, och medicinsk industri, "säger Xioheng Jin, artikelns första författare.

"Koldioxid är en av de mest konventionella föroreningarna i gasprodukter. De flesta aktuella metoderna för att ta bort CO ₂ producerar ofta farliga kemikalier, och separationen av CO ₂ från kväve har betydande industriellt värde, särskilt för att minska utsläppen av rökgaser - t.ex. förbränningsavgaserna som produceras vid kraftverk – det har varit en utmaning med hjälp av befintlig teknik."

Med tanke på de lovande resultaten, forskarna hoppas att deras resultat kommer att leda till nya vägar för att effektivt separera koldioxid från kväve och andra gaser och hjälpa dem att utveckla nya lösningar för industrin som använder denna nya klass av filter för alla slags applikationer.

"Detta fynd ger en ny möjlighet för tillämpningen av grafenbaserade material i gasreningsindustrin, till exempel, i fall där fasta avfallsämnen eller avfallsvätskor genererar giftiga gasblandningar, säger Tobias Foller, medförfattare till artikeln.

"Vi tror att filtret har potential att revolutionera gasseparationsindustrin. I slutändan, Vi hoppas att våra resultat hjälper Australien att uppnå ett grönare samhälle och en mer levande miljö. "

Hur är det med andra metaller?

Teamet vill nu testa samma princip med andra typer av metaller.

"Det finns enorma möjligheter för alla andra övergångsmetaller som inte har studerats som kan implanteras i grafenbaserade strukturer och ge spännande gasseparationsegenskaper, " säger Xioheng Jin.

År 2018, Dr. Joshis team demonstrerade också framgångsrikt en grafenbaserad, laboratorieskala filter som kan ta bort mer än 99% av det allestädes närvarande naturliga organiska material som lämnats kvar vid konventionell behandling av dricksvatten.