Graphene Flagship-onderzoekers overwonnen de theoretische beperkende prestaties van membranen bij gasscheiding. Dit gezamenlijke onderzoek van Graphene Flagship-partners CNR, Universiteit van Bologna en Graphene-XT hebben potentiële toepassingen in waterstofzuivering en koolstofafvang en -opslag.

Op polymeren gebaseerde membranen voor gasscheiding hebben een wisselwerking tussen hoge gaspermeabiliteit en hoge gasselectiviteit, de zogenaamde Robeson bovengrens. Door afzonderlijke grafeenoxidevellen te combineren met polymeerafstandhouders, in een structuur in sandwichstijl, Graphene Flagship-onderzoekers hebben een dergelijke limiet kunnen overwinnen, snel en efficiënt gas scheiden.

Focussen op het produceren van een gasscheidingsapparaat dat nuttig is voor het afvangen en opslaan van koolstof, de onderzoekers bedachten een protocol om CO2 te scheiden van H2. waterstof productie, zowel uit aardgas als bij vergassing van vloeibare of vaste brandstoffen, gaat vaak gepaard met de vorming van een aanzienlijke hoeveelheid CO2, die moet worden verwijderd voordat het gas wordt gebruikt. Efficiënte scheiding van de CO2 heeft een groter potentieel voor het afvangen van dit broeikasgas.

Door gebruik te maken van een bottom-up benadering, de onderzoekers deponeerden afwisselend lagen grafeenoxide en een polymeer poly(ethyleenimine) - PEI, met behulp van een zelfmontagemethode, om het gasscheidingsmembraan te maken. Door grafeenoxide te gebruiken, (een in water oplosbaar grafeenmateriaal vanwege zijn geoxideerde aard), het team was in staat om individuele grafeenoxidelagen te deponeren, gescheiden door de PEI.

De diepte van de PEI-laag die als afstandhouder tussen de grafeenoxidelagen fungeert, bleek van vitaal belang om een ​​hoge gasstroom door het membraan te garanderen. Dit scheidingssysteem bevat dus een gelaagd materiaal en een ultradunne polymeerlaag met een dikte van ongeveer twee nanometer. De grafeenoxidevellen dwingen de gasvormige moleculen om een ​​martelend pad binnen de PEI-ketens te diffunderen.

"Door over te schakelen van het standaard driedimensionale membraan naar een gelaagde polymeerstructuur, bereikten we gasscheiding boven de Robeson-limiet in een membraan van slechts 100 nm dik, " zei professor Vincenzo Palermo, coördinator van het team dat dit onderzoek uitvoert en vice-directeur van het Graphene Flagship.

belangrijk, ook werd gevonden dat de permeabiliteit van deze membranen voor verschillende gassen sterk afhangt van de diameter van de gasmoleculen. Dit geeft het membraan een unieke selectiviteit die uiteindelijk de gasscheidingstechniek voorziet van zowel instelbare permeabiliteit en hoge selectiviteit als het potentieel om op grote schaal te worden gebruikt. De verhoogde functionaliteit van de goedkope PEI-films maakt deze gasscheidingsmembranen zeer aantrekkelijk voor toepassingen.

"Door onze samenwerking met de Universiteit van Bologna en Graphene-XT binnen het vlaggenschip, we hebben de schaalbaarheid van dit onderzoek kunnen beoordelen in industriële installaties om gassen te scheiden, ’ zei Palermo.

"De auteurs brengen het concept van tweedimensionale composietstructuren naar een nieuw niveau. Ze zijn erin geslaagd om periodieke stapels gelaagde materialen en eendimensionale polymeren te produceren, op grote oppervlakten, met behulp van zwakke elektrostatische krachten. Op deze manier observeren ze een gaspermeatieproces dat heel anders is dan wat wordt waargenomen in "klassieke" stapels van tweedimensionale nanoplaten, " zei Xinliang Feng, de leider van het Functional Foam and Coatings Work-Package van Graphene Flagship, "Dit werk demonstreert de kracht en veelzijdigheid van chemische benaderingen om complexe structuren te bouwen; opmerkelijk, het komt ook voort uit een samenwerking van de Functional Foam en Coatings Work-Package-partners met een partner-KMO die onze speerpuntprojecten ondersteunt."

Professor Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship, en voorzitter van zijn managementpanel, toegevoegd "Dit is nog een voorbeeld van hoe het Graphene Flagship het snijvlak van onderzoek kan combineren met praktische toepassingen. Het potentieel van grafeen en aanverwante materialen in membraantechnologie werd al vroeg onderkend, en dit werk brengt het een stap dichter bij wijdverbreide toepassingen."