De effecten van de opwarming van de aarde worden ernstiger en er is een sterke vraag naar technologische vooruitgang om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Waterstof is een ideale schone energie die bij verbranding water produceert. Om het gebruik van waterstofenergie te bevorderen, is het essentieel om veilige, energiebesparende technologieën te ontwikkelen voor de productie en opslag van waterstof. Momenteel wordt waterstof gemaakt van aardgas, dus het is niet geschikt voor decarbonisatie. Het gebruik van veel energie om waterstof te scheiden, zou het niet kwalificeren als schone energie.

Polymeerscheidingsmembranen hebben het grote voordeel dat ze het scheidingsmembraan vergroten en de scheidingscoëfficiënt verhogen. De permeatiesnelheid door het membraan is echter extreem laag en er moet hoge druk worden uitgeoefend om de permeatiesnelheid te verhogen. Daarom is een grote hoeveelheid energie nodig voor scheiding met behulp van een polymeerscheidingsmembraan. Het doel is om een ​​nieuw soort scheidingsmembraantechnologie te creëren die scheidingssnelheden kan bereiken die 50 keer sneller zijn dan die van conventionele scheidingsmembranen.

Het met grafeen gewikkelde moleculaire zeefmembraan dat in deze studie is gemaakt, heeft een scheidingsfactor van 245 en een permeatiecoëfficiënt van 5,8 x 10 ⁶ barrières, die meer dan 100 keer beter is dan die van conventionele polymere scheidingsmembranen. Als het scheidingsmembraan in de toekomst groter wordt, is het zeer waarschijnlijk dat er een energiebesparend scheidingsproces komt voor de scheiding van belangrijke gassen zoals koolstofdioxide en zuurstof en waterstof.

Zoals te zien is in het transmissie-elektronenmicroscoopbeeld in figuur 1, is grafeen gewikkeld rond het MFI-type zeolietkristal, dat hydrofoob is. De verpakking maakt gebruik van de principes van de colloïdale wetenschap om grafeen- en zeolietkristalvlakken dicht bij elkaar te houden door vermindering van de afstotende interactie. Ongeveer vijf lagen grafeen omsluiten zeolietkristallen in deze figuur. Rond de rode pijl bevindt zich een smalle interface-ruimte waar alleen waterstof kan doordringen. Grafeen is ook aanwezig op hydrofoob zeoliet, dus de structuur van het zeolietkristal is hiermee niet te zien. Omdat er een sterke aantrekkingskracht tussen grafeen werkt, staan ​​de zeolietkristallen omhuld met grafeen door een eenvoudige compressiebehandeling in nauw contact met elkaar en laten ze geen gas door.

Figuur 2 toont een model waarin zeolietkristallen omwikkeld met grafeen met elkaar in contact staan. Het oppervlak van het zeolietkristal heeft groeven die zijn afgeleid van de structuur, en er is een grensvlakkanaal tussen zeoliet en grafeen waardoor waterstofmoleculen selectief kunnen doordringen. Het model waarin de zwarte cirkels zijn verbonden, is grafeen en op sommige plaatsen worden nanovensters weergegeven door spaties. Elk gas kan vrij de nanovensters binnendringen, maar de zeer smalle kanalen tussen grafeen- en zeolietkristalvlakken zorgen ervoor dat waterstof bij voorkeur kan doordringen. Deze structuur maakt een efficiënte scheiding van waterstof en methaan mogelijk. Aan de andere kant is de beweging van waterstof snel omdat er veel holtes zijn tussen de in grafeen gewikkelde zeolietdeeltjes. Om deze reden is ultrasnelle permeatie mogelijk met behoud van de hoge scheidingsfactor van 200 of meer.

Figuur 3 vergelijkt de waterstofscheidingsfactor en gaspermeatiecoëfficiënt voor methaan met de eerder gerapporteerde scheidingsmembranen. Dit scheidingsmembraan scheidt waterstof af met een snelheid van ongeveer 100 keer terwijl een hogere scheidingscoëfficiënt behouden blijft dan conventionele scheidingsmembranen. Hoe verder in de richting van de pijl, hoe beter de prestaties. Dit nieuw ontwikkelde scheidingsmembraan heeft voor het eerst de weg vrijgemaakt voor energiebesparende scheidingstechnologieën.

Bovendien verschilt dit scheidingsprincipe van het conventionele oplossingsmechanisme met polymeren en het scheidingsmechanisme met poriegrootte in zeolietscheidingsmembranen, en hangt het af van het scheidingsdoel door de oppervlaktestructuur van zeoliet of een ander kristal te selecteren. Snelle scheiding voor elk doelgas is in principe mogelijk. Om deze reden, als de industriële productiemethode van dit scheidingsmembraan en het scheidingsmembraan schaalbaar wordt, kunnen de chemische industrie, de verbrandingsindustrie en andere industrieën genieten van een aanzienlijk verbeterd energieverbruik, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van kooldioxide. Momenteel doet de groep onderzoek naar de totstandkoming van basistechnologie voor het snel produceren van een grote hoeveelheid verrijkte zuurstof uit lucht. De ontwikkeling van technologieën voor de productie van verrijkte zuurstof zal een revolutie teweegbrengen in de staal- en chemische industrie en zelfs in de geneeskunde.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances . + Verder verkennen

Precisie zeven van gassen door atomaire poriën in grafeen