Klimaatafbraak veroorzaakt door kooldioxide (CO ₂ ) emissie in de atmosfeer is een groot existentieel probleem waarmee de mensheid wordt geconfronteerd. De meest acceptabele oplossing zou zijn volledige stopzetting van het gebruik van fossiele brandstoffen, of op zijn minst een snelle vermindering van het gebruik ervan door alle landen, in overeenstemming met het akkoord van Parijs. Dit zorgt ervoor dat de opwarming van de aarde wordt beperkt tot 2 graden C. Emissiereducties zijn traag, echter, en het is onwaarschijnlijk dat de meeste landen de doelstellingen van de overeenkomst zullen bereiken.

Technologische oplossingen voor enorme CO ₂ emissiepreventie is daarom van cruciaal belang. Enkele technologieën voor CO ₂ vastlegging, bijvoorbeeld, sorptie door vloeibare aminechemicaliën, zijn al volwassen genoeg om op grote schaal te worden toegepast. Echter, ze zijn duur en gaan gepaard met een last van giftige chemische verwijdering zodra ze hun CO . verliezen ₂ bindend eigendom. Alternatieve technologieën zijn daarom van groot belang.

Het scheiden van gassen met behulp van membranen komt naar voren als een sleuteltechnologie voor de totstandkoming van een duurzame samenleving. Brede toepassing van membranen kan helpen bij het opvangen van enorme hoeveelheden koolstofdioxide die vrijkomen bij industriële processen. In tegenstelling tot conventionele CO ₂ vastlegging, gasscheiding met membranen belooft kostenefficiëntie. Echter, om zuinige CO . te bereiken ₂ vangst op grote schaal, de membranen hebben een aantal kritische eigenschappen nodig:snelle CO ₂ transport door hun structuur; hoge CO ₂ selectiviteit (d.w.z. om een ​​minder doorlatende barrière te zijn voor andere gassen); mechanische sterkte en chemische weerstand. Aanvullend, membranen moeten zijn samengesteld uit materialen die goedkoop zijn bij massaproductie, daarom zijn organische polymeren (conventionele kunststoffen en rubbers) het meest aantrekkelijk voor industriële toepassingen.

Dunne-filmcomposieten vertegenwoordigen een specifieke architectuur van membranen om een ​​robuuste structuur te bieden voor industriële toepassingen. Deze membranen, die meerdere functionele lagen bevatten (gemaakt van organische polymeren), bieden een goede oplossing voor grootschalige CO ₂ vastlegging. Echter, zelfs benchmark organische polymeren met de beste scheidingsprestaties (hoge CO ₂ doorlaatbaarheid en hoge CO ₂ /N ₂ selectiviteit) nog geen bevredigende scheidingsprestaties vertonen vanwege hun onvermogen om voldoende dunne, defectvrije en mechanisch stabiele membranen.

In een nieuwe studie, onderzoekers rapporteren voor het eerst hoe uiteindelijk dunne selectieve lagen met een dikte van enkele nanometers kunnen worden gebruikt om gewenste scheidingseigenschappen te bereiken. Ze gebruikten bekende polymeren voor het onderzoek:polyetherblokamide (Pebax-1657) als selectieve laag en polydimethylsiloxaan (PDMS) als gootlaag. Ze onderzochten wat er gebeurt met de gasscheidingseigenschap wanneer de dikte van de selectieve laag tot het uiterste van enkele nanometers werd geduwd. Ze melden dat wanneer een selectieve laag scheidingsmembranen erg dun wordt, het kan in een composietstructuur een specifiek raakvlak vormen met de gootlaag. Deze interface op nanoschaal leverde een onverwacht hoge selectiviteit voor CO ₂ . Zachte en ultrakorte plasmabehandeling van de hydrofobe PDMS-laag die nodig is om adhesie met de hydrofiele selectieve laag te bevorderen, onthulde zichzelf als een hulpmiddel om de activiteit van de moleculaire interface tussen twee polymeren te regelen en af ​​te stemmen.

Ze ontdekten dat deze interface een bepalende impact had op de CO ₂ selectiviteit. Samen met hoge permeatiesnelheden mogelijk gemaakt door lage dikte, de membranen passen mooi in het gebied van de scheidingseigenschappen die nodig zijn voor industriële CO ₂ vastleggen (bijv. afvang na verbranding bij elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen). Deze resultaten openen een nieuw en onontgonnen gebied van grensvlakgestuurde gasscheiding dat door ingenieurs kan worden gebruikt om efficiëntere membranen te ontwerpen voor verschillende nuttige toepassingen.