Waterstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde en een uitzonderlijk schone brandstofbron. Terwijl het zijn weg vindt naar de brandstofcellen van elektrische auto's, bussen en zwaar materieel, het wijdverbreide gebruik ervan wordt belemmerd door het dure gasscheidingsproces dat nodig is om zuivere waterstof te produceren. Maar dat proces zou binnenkort efficiënter en kosteneffectiever kunnen worden dankzij een ontdekking door een internationaal team van onderzoekers, geleid in de VS door Drexel University. De groep heeft uitzonderlijk efficiënte gasscheidingseigenschappen ontdekt in een nanomateriaal genaamd MXene dat kan worden opgenomen in de membranen die worden gebruikt om waterstof te zuiveren.

Hoewel waterstof aanwezig is in een grote verscheidenheid aan moleculen en materialen in de natuur - water, een combinatie van waterstof en zuurstof, belangrijkste onder hen - het bestaat van nature niet in zijn pure elementaire vorm - dat wil zeggen, waterstof op zich, op aarde. Om waterstof te scheiden van de andere elementen waaraan het gewoonlijk bindt, het vereist het introduceren van een elektrische stroom om de atomen in watermoleculen te exciteren en te splitsen, of het filtreren van een gasvormig mengsel dat waterstof bevat, door een membraan om de waterstof te scheiden van kooldioxide of koolwaterstoffen.

Het proces van gasscheiding via membraan is de meest effectieve en betaalbare optie, daarom hebben onderzoekers de afgelopen jaren hun inspanningen opgevoerd om membranen te ontwikkelen die waterstof grondig en snel kunnen filteren.

Een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , geeft aan dat het gebruik van MXene-materiaal in gasscheidingsmembranen de meest efficiënte manier zou kunnen zijn om waterstofgas te zuiveren. Het onderzoek, geleid door Haihui Wang, doctoraat, een professor van de South China University of Technology en Yury Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, bij de afdeling Materials Science and Engineering, laat zien dat de tweedimensionale structuur van het nanomateriaal het mogelijk maakt om selectief grote gasmoleculen af ​​te wijzen, terwijl je waterstof tussen de lagen laat glippen.

"In dit rapport laten we zien hoe geëxfolieerde tweedimensionale MXene-nanosheets voor het eerst kunnen worden gebruikt als bouwstenen om gelamineerde membranen te maken voor gasscheiding, "Zei Gogotsi. "We hebben dit aangetoond met behulp van modelsystemen van waterstof en koolstofdioxide."

In samenwerking met onderzoekers van de South China University of Technology en Jilin University, in China, en Leibniz Universiteit van Hannover, in Duitsland, het Drexel-team meldde dat membranen die zijn gemaakt met behulp van MXene-nanobladen, beter presteren dan de hoogwaardige membraanmaterialen die momenteel worden gebruikt, zowel wat betreft permeabiliteit als selectiviteit.

Veel verschillende soorten membranen zijn momenteel in gebruik in de energie-industrie, bijvoorbeeld voor het zuiveren van koelwater voordat het vrijkomt, en voor het raffineren van aardgas voordat het voor gebruik wordt gedistribueerd. Gasscheidingsinstallaties gebruiken ze ook om stikstof en zuurstof uit de atmosfeer te halen. Deze studie opent de deur voor een uitgebreider gebruik van membraantechnologie, met de mogelijkheid om de filtratie-apparaten aan te passen om een ​​groot aantal gasvormige moleculen eruit te filteren.

Het voordeel van MXene ten opzichte van materialen die momenteel worden gebruikt en ontwikkeld voor gasscheiding, is dat zowel de permeabiliteit als de filtratieselectiviteit zijn gekoppeld aan de structuur en chemische samenstelling. Daarentegen, andere membraanmaterialen, zoals grafeen en zeoliet, doen hun filtering alleen door moleculen fysiek op te sluiten - of te zeven - in kleine roosters en kanalen, als een net.

MXenes speciale filtratie-eigenschappen bestaan ​​omdat ze worden gecreëerd door het chemisch uitetsen van lagen uit een vast stuk materiaal, een MAX-fase genoemd. Dit proces vormt een structuur die meer op een spons lijkt, met spleetporiën van verschillende groottes. Gogotsi's onderzoeksgroep voor nanomaterialen, die sinds 2011 met MXenes samenwerkt kan de grootte van de kanalen vooraf bepalen door verschillende soorten MAX-fasen te gebruiken en ze te etsen met verschillende chemicaliën.

De kanalen zelf kunnen zo worden gecreëerd dat ze chemisch actief zijn, zodat ze in staat zijn om bepaalde moleculen aan te trekken - of te adsorberen - terwijl ze er doorheen gaan. Dus, een MXene-membraan functioneert meer als een magnetisch net en kan worden ontworpen om een ​​grote verscheidenheid aan chemische soorten te vangen terwijl ze er doorheen gaan.

"Dit is een van de belangrijkste voordelen van MXenes, "Zei Gogotsi. "We hebben tientallen MXenen beschikbaar die kunnen worden afgestemd om selectiviteit te bieden aan verschillende gassen. We gebruikten titaniumcarbide MXene in deze studie, maar er zijn al minstens twee dozijn andere MXenes beschikbaar, en naar verwachting zullen er de komende jaren nog meer worden bestudeerd - wat betekent dat het kan worden ontwikkeld voor een aantal verschillende gasscheidingstoepassingen."

Het veelzijdige tweedimensionale materiaal, die in 2011 bij Drexel werd ontdekt 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.