Kredit:University of Manchester
Genom att tillverka hål i atomär skala i atomärt tunna membran borde det vara möjligt att skapa molekylsiktar för exakt och effektiv gasseparering, inklusive utvinning av koldioxid från luft, har forskare vid University of Manchester funnit.
Om en porstorlek i ett membran är jämförbar med storleken på atomer och molekyler, kan de antingen passera genom membranet eller kasseras, vilket möjliggör separation av gaser enligt deras molekylära diametrar. Industriella gasseparationstekniker använder i stor utsträckning denna princip, och förlitar sig ofta på polymermembran med olika porositet. Det finns alltid en avvägning mellan noggrannheten i separationen och dess effektivitet:ju finare du justerar porstorlekarna, desto mindre gasflöde tillåter sådana siktar.
Det har länge spekulerats i att med tvådimensionella membran som liknar grafen i tjocklek kan man uppnå mycket bättre avvägningar än vad som för närvarande är möjligt eftersom, till skillnad från konventionella membran, bör atomtunna membran tillåta lättare gasflöden för samma selektivitet.
Nu har ett forskarlag ledd av professor Sir Andre Geim vid University of Manchester, i samarbete med forskare från Belgien och Kina, använt lågenergielektroner för att slå individuella hål i atomär skala i suspenderad grafen. Hålen kom i storlekar ner till cirka två ångström, mindre än till och med de minsta atomerna som helium och väte.
I decembernumret av Nature Communications , rapporterar forskarna att de uppnådde praktiskt taget perfekt selektivitet (bättre än 99,9%) för sådana gaser som helium eller väte med avseende på kväve, metan eller xenon. Dessutom passerar luftmolekyler (syre och kväve) lätt genom porerna i förhållande till koldioxid, som fångas upp till>95 %.
Forskarna påpekar att för att göra tvådimensionella membran praktiska är det viktigt att hitta atomärt tunna material med inneboende porer, det vill säga porer i själva kristallgittret.
"Precisionssiktar för gaser är säkert möjliga och faktiskt är de konceptuellt inte olika de som används för att sikta sand och granulära material. Men för att göra denna teknik industriellt relevant behöver vi membran med tätt placerade porer, inte enskilda hål skapade i vår studie för att bevisa konceptet för första gången. Först då är de höga flöden som krävs för industriell gasseparering möjliga", säger Dr. Pengzhan Sun, en huvudförfattare till tidningen.
Forskargruppen planerar nu att söka efter sådana tvådimensionella material med stora inneboende porer för att hitta de som är mest lovande för framtida gasseparationstekniker. Sådana material finns. Till exempel finns det olika grafyner, som också är atomtunna allotroper av kol men ännu inte tillverkade i skala. Dessa ser ut som grafen men har större kolringar, liknande i storlek som de individuella defekter som skapats och studerats av Manchester-forskarna. Rätt storlek kan göra graphynes perfekt lämpade för gasseparering. + Utforska vidare
