Door gaten op atomaire schaal in atomair dunne membranen te maken, zou het mogelijk moeten zijn om moleculaire zeven te maken voor nauwkeurige en efficiënte gasscheiding, inclusief extractie van koolstofdioxide uit lucht, hebben onderzoekers van de Universiteit van Manchester ontdekt.

Als de poriegrootte in een membraan vergelijkbaar is met de grootte van atomen en moleculen, kunnen ze ofwel door het membraan gaan of worden afgewezen, waardoor gassen kunnen worden gescheiden op basis van hun moleculaire diameter. Industriële gasscheidingstechnologieën maken op grote schaal gebruik van dit principe, waarbij vaak wordt vertrouwd op polymeermembranen met verschillende porositeit. Er is altijd een afweging tussen de nauwkeurigheid van de scheiding en de efficiëntie ervan:hoe fijner je de poriegroottes aanpast, hoe minder gasstroom dergelijke zeven toestaan.

Er wordt al lang gespeculeerd dat, met behulp van tweedimensionale membranen die qua dikte vergelijkbaar zijn met grafeen, men veel betere compromissen kan bereiken dan momenteel haalbaar is, omdat, in tegenstelling tot conventionele membranen, atomair dunnere membranen gemakkelijker gasstromen mogelijk moeten maken voor dezelfde selectiviteit.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Sir Andre Geim van de Universiteit van Manchester, in samenwerking met wetenschappers uit België en China, laagenergetische elektronen gebruikt om individuele gaten op atomaire schaal in zwevend grafeen te slaan. De gaten waren kleiner dan ongeveer twee angstrom, kleiner dan zelfs de kleinste atomen zoals helium en waterstof.

In het decembernummer van Nature Communications , melden de onderzoekers dat ze een vrijwel perfecte selectiviteit (beter dan 99,9%) bereikten voor gassen als helium of waterstof ten opzichte van stikstof, methaan of xenon. Ook gaan luchtmoleculen (zuurstof en stikstof) gemakkelijk door de poriën in vergelijking met koolstofdioxide, dat voor>95% wordt opgevangen.

De wetenschappers wijzen erop dat om tweedimensionale membranen praktisch te maken, het essentieel is om atomair dunne materialen te vinden met intrinsieke poriën, dat wil zeggen poriën in het kristalrooster zelf.

"Precisiezeven voor gassen zijn zeker mogelijk en in feite verschillen ze conceptueel niet van de zeven die worden gebruikt om zand en korrelige materialen te zeven. Om deze technologie echter industrieel relevant te maken, hebben we membranen nodig met dicht op elkaar staande poriën, geen individuele gaten die in onze studie om het concept voor de eerste keer te bewijzen. Alleen dan zijn de hoge stromen die nodig zijn voor industriële gasscheiding haalbaar", zegt Dr. Pengzhan Sun, een hoofdauteur van het artikel.

Het onderzoeksteam is nu van plan om te zoeken naar dergelijke tweedimensionale materialen met grote intrinsieke poriën om die te vinden die het meest veelbelovend zijn voor toekomstige gasscheidingstechnologieën. Dergelijke materialen bestaan. Zo zijn er verschillende graphynes, die ook atomair dunne allotropen van koolstof zijn, maar nog niet op schaal zijn vervaardigd. Deze zien eruit als grafeen, maar hebben grotere koolstofringen, vergelijkbaar in grootte met de individuele defecten die zijn gemaakt en bestudeerd door de Manchester-onderzoekers. De juiste maat maakt grafiet wellicht perfect geschikt voor gasscheiding. + Verder verkennen

Nuldimensionale moleculaire zeefmembranen om de selectiviteit van gasscheiding te verbeteren