Een van de dunste membranen ooit gemaakt is ook zeer onderscheidend als het gaat om de moleculen die er doorheen gaan. Ingenieurs van de Universiteit van South Carolina hebben een grafeenoxidemembraan van minder dan 2 nanometer dik geconstrueerd met een hoge permeatieselectiviteit tussen waterstof- en kooldioxidegasmoleculen.

De selectiviteit is gebaseerd op molecuulgrootte, rapporteerde het team in het journaal Wetenschap . Waterstof en helium gaan relatief gemakkelijk door het membraan, maar kooldioxide, zuurstof, stikstof, koolmonoxide en methaan dringen veel langzamer door.

"De kinetische diameter van waterstof is 0,289 nm, en koolstofdioxide is 0,33 nm. Het verschil in grootte is erg klein, slechts 0,04 nm, maar het verschil in permeatie is vrij groot", zei Miao Yu, een chemisch ingenieur in USC's College of Engineering and Computing die het onderzoeksteam leidde. "Het membraan gedraagt ​​zich als een zeef. Grotere moleculen kunnen er niet doorheen, maar kleinere moleculen kunnen dat wel."

Naast selectiviteit, het opmerkelijke aan het resultaat van het USC-team is de kwaliteit van het membraan dat ze op zo'n kleine schaal konden maken. Het membraan is geconstrueerd op het oppervlak van een poreuze aluminiumoxidedrager. Vlokken van grafeenoxide, met breedtes in de orde van 500 nm maar slechts één koolstofatoom dik, werden op de drager afgezet om een ​​cirkelvormig membraan te creëren met een oppervlakte van ongeveer 2 vierkante centimeter.

Het membraan is een soort overlappend mozaïek van grafeenoxidevlokken. Het is alsof je het oppervlak van een tafel bedekt met speelkaarten. En dat op moleculaire schaal doen is erg moeilijk als je een uniforme dekking wilt en geen plaatsen waar je "lekken" zou kunnen krijgen. Gasmoleculen zoeken overal naar gaten waar ze maar kunnen worden gevonden, en in een membraan dat bestaat uit grafeenoxidevlokken, er zouden twee waarschijnlijke plaatsen zijn:gaten in de vlokken, of gaten tussen de vlokken.

Het zijn de ruimtes tussen de vlokken die een echt obstakel zijn geweest voor vooruitgang in lichte gasscheidingen. Dat is de reden waarom microporeuze membranen die zijn ontworpen om onderscheid te maken in dit moleculaire bereik, doorgaans erg dik zijn. "Minstens 20 nm, en meestal dikker, " zei Miao. Alles wat dunner is en de gasmoleculen kunnen gemakkelijk hun weg vinden tussen niet-uniforme ruimtes tussen vlokken.

Miao's team bedacht een methode om een ​​membraan te maken zonder die "inter-flake" lekken. Ze verspreidden grafeenoxidevlokken, die zeer heterogene mengsels zijn wanneer ze worden bereid met de huidige methoden, in water en gebruikte ultrasoonapparaat- en centrifugatietechnieken om een ​​verdunde, homogene mest. Deze vlokken werden vervolgens door eenvoudige filtratie op de drager afgezet.

Hun dunste resultaat was een membraan van 1,8 nm dik dat alleen gasmoleculen door de gaten in de grafeenoxidevlokken zelf liet gaan, meldde het team. Ze ontdekten met atoomkrachtmicroscopie dat een enkele grafeenoxidevlok een dikte had van ongeveer 0,7 nm. Dus, het 1,8 nm dikke membraan op aluminiumoxide is slechts enkele moleculaire lagen dik, met moleculaire defecten in het grafeenoxide die in wezen uniform zijn en net iets te klein om koolstofdioxide gemakkelijk door te laten.

Het voorschot heeft een scala aan potentiële toepassingen. Met wijdverbreide zorgen over kooldioxide als broeikasgas, de efficiënte scheiding van kooldioxide van andere gassen is een hoge onderzoeksprioriteit. Bovendien, waterstof vertegenwoordigt een integraal product in energiesystemen waarbij, bijvoorbeeld, brandstofcellen, dus het zuiveren uit gasmengsels is ook een actief aandachtsgebied.

Yu merkt ook op dat de afmetingen van de moleculaire zeef in de orde van grootte van water zijn, dus, bijvoorbeeld, het zuiveren van de grote hoeveelheden bedorven water geproduceerd door hydrofracturering (fracking) is een andere mogelijkheid.

In staat zijn om de membraandikte te verminderen - en met een orde van grootte - is een grote stap voorwaarts, zei Yu. "Het hebben van zo dunne membranen is een groot voordeel in de scheidingstechnologie, " zei hij. "Het vertegenwoordigt een volledig nieuw type membraan in de scheidingswetenschappen."