Graphen-omviklede zeolitmembraner til hurtig hydrogenseparation

Effekterne af den globale opvarmning bliver mere alvorlige, og der er en stærk efterspørgsel efter teknologiske fremskridt for at reducere udledningen af ​​kuldioxid. Brint er en ideel ren energi, som producerer vand, når den forbrændes. For at fremme brugen af ​​brintenergi er det vigtigt at udvikle sikre, energibesparende teknologier til brintproduktion og -lagring. I øjeblikket fremstilles brint af naturgas, så det er ikke egnet til dekarbonisering. At bruge meget energi til at adskille brint ville ikke gøre det kvalificeret som ren energi.

Polymerseparationsmembraner har den store fordel, at de forstørrer separationsmembranen og øger separationskoefficienten. Imidlertid er hastigheden af ​​gennemtrængning gennem membranen ekstremt lav, og der skal påføres højt tryk for at øge gennemtrængningshastigheden. Derfor kræves der en stor mængde energi til adskillelse ved hjælp af en polymerseparationsmembran. Målet er at skabe en ny slags separationsmembranteknologi, der kan opnå separationshastigheder, der er 50 gange hurtigere end konventionelle separationsmembraner.

Den grafenindpakkede molekylsigtemembran fremstillet i denne undersøgelse har en separationsfaktor på 245 og en permeationskoefficient på 5,8 x 10 ⁶ barrers, hvilket er mere end 100 gange bedre end konventionelle polymerseparationsmembraner. Hvis størrelsen af ​​separationsmembranen øges i fremtiden, er det meget sandsynligt, at der vil blive etableret en energibesparende separationsproces til udskillelse af vigtige gasser som kuldioxid og oxygen samt brint.

Som det ses på transmissionselektronmikroskopbilledet i figur 1, er grafen viklet rundt om MFI-type zeolitkrystal, idet den er hydrofob. Indpakningen bruger principperne for kolloid videnskab til at holde grafen- og zeolitkrystalplan tæt på hinanden på grund af reduktion af den frastødende interaktion. Omkring fem lag grafen omslutter zeolitkrystaller i denne figur. Omkring den røde pil er der et smalt grænsefladerum, hvor kun brint kan trænge igennem. Grafen er også til stede på hydrofob zeolit, så strukturen af ​​zeolitkrystallen kan ikke ses med denne. Da en stærk tiltrækningskraft virker mellem grafen, er zeolitkrystallerne omviklet med grafen i tæt kontakt med hinanden ved en simpel kompressionsbehandling og slipper ingen gas igennem.

Figur 2 viser en model, hvor zeolitkrystaller omviklet med grafen er i kontakt med hinanden. Overfladen af ​​zeolitkrystallen har riller afledt af strukturen, og der er en grænsefladekanal mellem zeolit ​​og grafen, hvorigennem brintmolekyler selektivt kan trænge igennem. Modellen, hvori de sorte cirkler er forbundet, er grafen, og nogle steder er der nano-vinduer repræsenteret af blanke. Enhver gas kan frit trænge igennem nanovinduerne, men de meget smalle kanaler mellem grafen- og zeolitkrystalflader tillader brint at gennemtrænge fortrinsvis. Denne struktur muliggør effektiv adskillelse af brint og metan. På den anden side er bevægelsen af ​​brint hurtig, fordi der er mange hulrum mellem de grafenindpakkede zeolitpartikler. Af denne grund er permeation med ultrahøj hastighed mulig, mens den høje separationsfaktor på 200 eller mere opretholdes.

Figur 3 sammenligner hydrogenseparationsfaktoren og gaspermeationskoefficienten for metan med de tidligere rapporterede separationsmembraner. Denne separationsmembran separerer hydrogen med en hastighed på ca. 100 gange, mens den opretholder en højere separationskoefficient end konventionelle separationsmembraner. Jo længere i pilens retning, jo bedre ydeevne. Denne nyudviklede separationsmembran har banet vejen for energibesparende separationsteknologier for første gang.

Derudover er dette separationsprincip forskelligt fra den konventionelle opløsningsmekanisme med polymerer og separationsmekanismen med porestørrelse i zeolitseparationsmembraner, og det afhænger af separationsmålet ved at vælge overfladestrukturen af ​​zeolit ​​eller en anden krystal. Højhastighedsadskillelse for enhver målgas er i princippet mulig. Af denne grund, hvis den industrielle fremstillingsmetode for denne separationsmembran og separationsmembranen bliver skalerbar, kan den kemiske industri, forbrændingsindustrien og andre industrier nyde væsentligt forbedret energiforbrug, hvilket fører til en betydelig reduktion i kuldioxidemissioner. I øjeblikket udfører gruppen forskning i etablering af grundlæggende teknologi til hurtigt at producere en stor mængde beriget ilt fra luft. Udviklingen af ​​berigede iltfremstillingsteknologier vil revolutionere stål- og kemisk industri og endda medicin.

Forskningen blev offentliggjort i Science Advances . + Udforsk yderligere

Præcisionssigtning af gasser gennem atomare porer i grafen