Molekylært tynd grænseflade mellem polymerer til effektiv kuldioxidfangermembran

Klimaforandring forårsaget af kuldioxid (CO ₂ ) emission til atmosfæren er et stort eksistentielt problem, der står over for menneskeheden. Den mest acceptable løsning ville være fuldstændig ophør af brugen af ​​fossile brændstoffer, eller i det mindste hurtig reduktion af deres brug af alle lande, i overensstemmelse med Parisaftalen. Dette vil sikre, at planetarisk opvarmning begrænses med 2 grader C. Emissionsreduktionerne er langsomme, imidlertid, og de fleste lande vil sandsynligvis ikke nå aftalens mål.

Teknologiske løsninger til massiv CO ₂ emissionsforebyggelse er derfor kritisk nødvendig. Nogle teknologier til CO ₂ fange, for eksempel, sorption af flydende aminkemikalier, er allerede modne nok til at blive anvendt i stor skala. Imidlertid, de er dyre og kommer med en byrde for giftig kemisk bortskaffelse, når de mister deres CO ₂ bindende ejendom. Alternative teknologier er derfor af stor betydning.

Adskillelse af gasser ved hjælp af membraner dukker op som en nøgleteknologi til etablering af et bæredygtigt samfund. Bred udbredelse af membraner kan hjælpe med at fange enorme mængder kuldioxid, der udsendes i industrielle processer. I modsætning til konventionel CO ₂ fange, gasseparation med membraner holder løftet om omkostningseffektivitet. Imidlertid, at opnå økonomisk CO ₂ fange i masseskala, membranerne har brug for flere kritiske funktioner:hurtig CO ₂ transport gennem deres struktur; højt CO ₂ selektivitet (dvs. at være en mindre gennemtrængelig barriere for andre gasser); mekanisk styrke og kemisk resistens. Derudover membraner skal være sammensat af materialer, der er billige ved masseproduktion, så organiske polymerer (konventionel plast og gummi) er mest attraktive til industrielle applikationer.

Tyndfilmskompositter repræsenterer en specifik membranarkitektur for at give en robust struktur til industrielle applikationer. Disse membraner, som indeholder flere funktionelle lag (lavet af organiske polymerer), tilbyde en god løsning til store CO ₂ fange. Imidlertid, endda benchmark organiske polymerer med den bedste separationsydelse (højt CO ₂ permeabilitet og højt CO ₂ /N ₂ selektivitet) endnu ikke udviser tilfredsstillende adskillelsesydelse på grund af deres manglende evne til at danne tilstrækkeligt tyndt, defektfrie og mekanisk stabile membraner.

I en ny undersøgelse, forskere rapporterer for første gang, hvordan i sidste ende tynde selektive lag med en tykkelse på flere nanometer kan bruges til at opnå ønskede separationsegenskaber. De brugte velkendte polymerer til undersøgelsen-polyetherblokamid (Pebax-1657) som selektivt lag og polydimethylsiloxan (PDMS) som tagrende. De undersøgte, hvad der sker med gasseparationsegenskaben, når tykkelsen af ​​det selektive lag blev skubbet til det yderste af flere nanometer. De rapporterer, at når et selektivt lag af separationsmembraner bliver meget tyndt, det kan danne en specifik grænseflade med tagrenden i en sammensat struktur. Denne nanoskala -grænseflade leverede uventet høj selektivitet over for CO ₂ . Skånsom og ultrakort plasmabehandling af det hydrofobe PDMS-lag, der er nødvendigt for at fremme vedhæftning med det hydrofile selektive lag, afslørede sig selv som et redskab til at kontrollere og justere aktiviteten af ​​den molekylære grænseflade mellem to polymerer.

De fandt ud af, at denne grænseflade havde en afgørende indvirkning på CO ₂ selektivitet. Sammen med høje gennemtrængningshastigheder muliggjort af lav tykkelse, membranerne passer fint ind i området med de separationsegenskaber, der er nødvendige for industrielt CO ₂ fange (f.eks. efterforbrænding ved fossile kraftværker). Disse resultater åbner et nyt og uudforsket område med interface-styret gasseparation, der kan bruges af ingeniører til at designe mere effektive membraner til forskellige nyttige applikationer.