Kemisk net kan være nøglen til at fange rent brint

Brint er et af de mest udbredte grundstoffer på Jorden og en usædvanlig ren brændstofkilde. Mens den er på vej ind i elbilernes brændselsceller, busser og tungt udstyr, dets udbredte anvendelse hæmmes af den dyre gasseparationsproces, der kræves for at producere rent brint. Men den proces kan snart blive mere effektiv og omkostningseffektiv takket være en opdagelse fra et internationalt hold af forskere, ledet i USA af Drexel University. Gruppen har afdækket usædvanligt effektive gasseparationsegenskaber i et nanomateriale kaldet MXene, der kunne inkorporeres i membranerne, der bruges til at rense brint.

Mens brint er til stede i en lang række forskellige molekyler og materialer i naturen - vand, en kombination af brint og ilt, først og fremmest - det eksisterer ikke naturligt i sin rene elementære form - dvs. brint alene, på jorden. At adskille brint fra de andre grundstoffer, som det normalt binder til, det kræver at indføre en elektrisk strøm for at excitere og adskille atomerne i vandmolekyler, eller filtrering af en gasformig blanding indeholdende brint, gennem en membran for at adskille brinten fra kuldioxid eller kulbrinter.

Processen med gasseparation via membran er den mere effektive og overkommelige mulighed, så i de senere år har forskere øget indsatsen for at udvikle membraner, der grundigt og hurtigt kan filtrere brint fra.

En undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , indikerer, at brug af MXene-materiale i gasseparationsmembraner kunne være den mest effektive måde at rense brintgas på. Forskningen, ledet af Haihui Wang, PhD, en professor fra South China University of Technology og Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University og Bach professor i Drexel's College of Engineering, ved Institut for Materialevidenskab og Teknik, viser, at nanomaterialets todimensionelle struktur gør det i stand til selektivt at afvise store gasmolekyler, mens man lader brint glide mellem lagene.

"I denne rapport viser vi, hvordan eksfolierede todimensionelle MXene nanoark kan bruges som byggesten til at konstruere laminerede membraner til gasseparation for første gang, " sagde Gogotsi. "Vi demonstrerede dette ved at bruge modelsystemer af brint og kuldioxid."

Arbejder i samarbejde med forskere fra South China University of Technology og Jilin University, i Kina, og Leibniz Universitet i Hannover, i Tyskland, Drexel-teamet rapporterede, at membraner skabt ved hjælp af MXene nanosheets udkonkurrerer de top-of-the-line membranmaterialer, der i øjeblikket er i brug - både i permeabilitet og selektivitet.

Mange forskellige slags membraner er i øjeblikket i brug i hele energiindustrien, for eksempel til rensning af kølevand, før det frigives, og til raffinering af naturgas, før den distribueres til brug. Gasseparationsanlæg bruger dem også til at hente nitrogen og ilt fra atmosfæren. Denne undersøgelse åbner døren for en udvidet brug af membranteknologi, med mulighed for at skræddersy filtreringsanordningerne til at frafiltrere et stort antal gasformige molekyler.

MXene's fordel i forhold til materialer, der i øjeblikket anvendes og udvikles til gasseparation, er, at både dets permeabilitet og filtreringsselektivitet er bundet til dets struktur og kemiske sammensætning. Derimod andre membranmaterialer, såsom grafen og zeolit, udfører deres filtrering kun ved fysisk at fange - eller sigte - molekyler i bittesmå gitter og kanaler, som et net.

MXenes specielle filtreringsegenskaber eksisterer, fordi de er skabt ved kemisk at udætse lag fra et solidt stykke materiale, kaldet en MAX fase. Denne proces danner en struktur, der er mere som en svamp, med spalteporer i forskellige størrelser. Gogotsis Nanomaterials Research Group, som har arbejdet med MXenes siden 2011, kan forudbestemme størrelsen af ​​kanalerne ved at bruge forskellige typer MAX faser og ætse dem med forskellige kemikalier.

Selve kanalerne kan skabes på en måde, der gør dem kemisk aktive, så de er i stand til at tiltrække - eller adsorbere - visse molekyler, når de passerer igennem. Dermed, en MXene-membran fungerer mere som et magnetisk net, og den kan designes til at fange en lang række kemiske arter, når de passerer igennem.

"Dette er en af ​​de vigtigste fordele ved MXenes, " sagde Gogotsi. "Vi har snesevis af MXener til rådighed, som kan indstilles til at give selektivitet til forskellige gasser. Vi brugte titaniumcarbid MXene i denne undersøgelse, men der er mindst to dusin andre MXenes allerede tilgængelige, and more are expected to be studied in the next couple of years - which means it could be developed for a number of different gas separation applications."

The versatile two-dimensional material, which was discovered at Drexel in 2011, has already shown its ability to improve efficiency of electric storage devices, stave off electromagnetic interference and even purify water. Studying its gas separation properties was the next logical step, according to Gogotsi.

"Our work on water filtration, the sieving of ions and molecules, and supercapacitors, which also involves ion sieving, suggested that gas molecules may also be sieved using MXene membranes with atomically thin channels between the MXene sheets, " he said. "However, we were lacking experience in the gas separation field. This research would not have been possible without our Chinese collaborators, who provided the experience needed to achieve the goal and demonstrated that MXene membranes can efficiently separate gas mixtures."

In order for MXene to make its way into industrial membranes, Gogotsi's group will continue to improve its durability, chemical and temperature stability and reduce the cost of production.