Nye mekanismer fundet til at adskille luftmolekyler

Nanoskalahuller i grafen (kaldet "nanovinduer") kan selektivt vælge, hvilken type luftmolekyler der kan passere igennem.

Forskere fra Shinshu University og PSL University, Frankrig, teoretisk bevist den samordnede bevægelse af nanowindow fælgen for selektivt at tillade molekyler at passere hurtigt, energieffektiv måde. Dette giver nye muligheder for at skabe en avanceret molekylær separationsmembranteknologi.

Atomvibrationen af ​​nanowindow -fælgen ændrer den effektive nanowidow -størrelse. Når kanten af ​​den ene side afviges, og den anden afviges i den modsatte retning, den effektive nanowindow -størrelse bliver større, end når fælgen ikke bevæger sig. Denne effekt er fremherskende for iltmolekyler, nitrogen og argon, fremkalder en effektiv separation af ilt fra luften.

Undersøgelsen overvejede adskillelse af luftens hovedkomponenter:ilt, nitrogen og argon. Molekylære størrelser af ilt, nitrogen og argon er 0,299, 0,305, og 0,363 nanometer (nm). Forskerne sammenlignede gennemtrængningen af ​​disse molekyler på seks forskellige nanovinduer af forskellig størrelse (på 0,257 nm, 0,273 nm, 0,297 nm, 0,330 nm, 0,370 nm, og 0,378 nm).

Nanovinduer blev fremstillet ved oxidationsbehandling. Dermed, deres fælge passiveres med hydrogen- og iltatomer, som har en afgørende rolle for selektiv gennemtrængning.

Overraskende, molekylerne gennemsyrer gennem nanovinduer, selv når den stive nanowindow -størrelse er mindre end målmolekylær størrelse. For eksempel, O2 gennemsyrer hurtigere gennem 0,29 nm nanowindows end 0,33 nm nanowindows. Forskellen i permeationshastighed er forbundet med molekylets interaktion med nanowidow -kanten og grafen. Mekanismen forklares ved hjælp af interaktionsenergi og vibrationsbevægelse af ilt og brint ved nanowindow -kanten. I nanoskalaen, det lokale elektriske felt, der kommer fra nanowindow -kanten med hydrogen og oxygenatomer, er stort nok til at bestemme orienteringen af ​​ilt- og nitrogenmolekyler, giver en meget selektiv gennemtrængning gennem nanovinduer mindre end iltmolekyler. Denne selektivitet afhænger af et gasmolekyles struktur og egenskab og nanorudernes geometri (størrelse og form) og kantkemi.

De samordnede orienteringsbevægelser af hydrogen- og iltatomerne ved nanowindow -kanten forårsaget af termiske vibrationer ændrer vinduets effektive størrelse cirka 0,01 nm. Den samordnede vibration ved nanowindow -kanten kan åbne nanowindowet for foretrukne molekyler (oxygengas i dette tilfælde).

Denne undersøgelse evaluerede blandet gaspermeation for at måle selektiviteter. Separationseffektiviteten oversteg 50 og 1500 for O2/N2 og O2/Ar ved stuetemperatur, henholdsvis. De nuværende membraner har opnået permeationshastighed selektiviteter 6 for O2/N2, men på samme tid de mangler en høj gennemtrængningshastighed. Dette viser lovende mulighed for de dynamiske nanovinduer i grafenet.

Luftseparation i industrien anvender destillation, som forbruger en stor mængde energi. Gasser, der bruges i denne undersøgelse, er meget udbredt i industrier som medicin, fødevare- og stålproduktion. Udvikling af de dynamiske nanowindow-integrerede grafener vil spare en stor mængde energi og give sikrere og mere effektive processer.