Energieffektive grafenmembraner kan føre til øget naturgasproduktion, mindre CO2-forurening

(Phys.org) — Ingeniørfakultetet og studerende ved University of Colorado Boulder har produceret de første eksperimentelle resultater, der viser, at atomisk tynde grafenmembraner med bittesmå porer effektivt og effektivt kan adskille gasmolekyler gennem størrelseselektiv sigtning.

Resultaterne er et væsentligt skridt i retning af realiseringen af ​​mere energieffektive membraner til naturgasproduktion og til at reducere kuldioxidemissioner fra kraftværkets udstødningsrør.

Maskiningeniørprofessorerne Scott Bunch og John Pellegrino var medforfattere til en artikel i Natur nanoteknologi med kandidatstuderende Steven Koenig og Luda Wang, der beskriver eksperimenterne. Papiret blev offentliggjort 7. oktober i tidsskriftets online-udgave.

Forskerholdet introducerede porer i nanoskala i grafenplader gennem ultraviolet lys-induceret oxidativ "ætsning, " og derefter målte permeabiliteten af ​​forskellige gasser på tværs af de porøse grafenmembraner. Der blev udført eksperimenter med en række gasser, herunder brint, carbondioxid, argon, nitrogen, metan og svovlhexafluorid - som varierer i størrelse fra 0,29 til 0,49 nanometer - for at demonstrere potentialet for adskillelse baseret på molekylstørrelse. En nanometer er en milliardtedel af en meter.

"Disse atomare tynde, porøse grafenmembraner repræsenterer en ny klasse af ideelle molekylsigter, hvor gastransport sker gennem porer, som har en tykkelse og diameter på atomskalaen, " sagde Bunch.

grafen, et enkelt lag grafit, repræsenterer den første virkelig todimensionelle atomkrystal. Den består af et enkelt lag kulstofatomer, der er kemisk bundet i et sekskantet "kyllingetråd"-gitter - en unik atomstruktur, der giver den bemærkelsesværdig elektrisk, mekaniske og termiske egenskaber.

"De mekaniske egenskaber af dette vidundermateriale fascinerer vores gruppe mest, " sagde Bunch. "Det er det tyndeste og stærkeste materiale i verden, samt at være uigennemtrængelig for alle standardgasser."

Disse egenskaber gør grafen til et ideelt materiale til at skabe en separationsmembran, fordi det er holdbart og alligevel ikke kræver meget energi at skubbe molekyler igennem det, han sagde.

Andre tekniske udfordringer skal overvindes, før teknologien kan realiseres fuldt ud. For eksempel, skabe store nok ark af grafen til at udføre separationer i industriel skala, og udvikling af en proces til fremstilling af præcist definerede nanoporer i de nødvendige størrelser er områder, der skal videreudvikles. CU-Boulder eksperimenterne blev udført i relativt lille skala.

Betydningen af ​​grafen i den videnskabelige verden blev illustreret af Nobelprisen i fysik i 2010, der hædrede to videnskabsmænd ved Manchester University i England, Andre K. Geim og Konstantin Novoselov, til at producere, isolere, identificere og karakterisere grafen. Forskere ser et utal af potentiale for grafen, efterhånden som forskningen skrider frem, fra at lave nye og bedre skærme og elektriske kredsløb til at producere bittesmå biomedicinske enheder.