Nedlægning af en kræsen hinde

En af de tyndeste membraner, der nogensinde er lavet, er også meget diskriminerende, når det kommer til molekylerne, der går igennem den. Ingeniører ved University of South Carolina har konstrueret en grafenoxidmembran mindre end 2 nanometer tyk med høj permeationsselektivitet mellem brint- og kuldioxidgasmolekyler.

Selektiviteten er baseret på molekylstørrelse, holdet rapporterede i journalen Videnskab . Brint og helium passerer relativt let gennem membranen, men kuldioxid, ilt, nitrogen, kulilte og metan trænger meget langsommere igennem.

"Den kinetiske brintdiameter er 0,289 nm, og kuldioxid er 0,33 nm. Forskellen i størrelse er meget lille, kun 0,04 nm, men forskellen i permeation er ret stor" sagde Miao Yu, en kemiingeniør ved USC's College of Engineering and Computing, der ledede forskerholdet. "Membranen opfører sig som en si. Større molekyler kan ikke gå igennem, men mindre molekyler kan."

Ud over selektivitet, Det bemærkelsesværdige ved USC-holdets resultat er kvaliteten af ​​den membran, de var i stand til at fremstille i så lille en skala. Membranen er konstrueret på overfladen af ​​en porøs aluminiumoxidbærer. flager af grafenoxid, med bredder i størrelsesordenen 500 nm, men kun et carbonatom tykt, blev afsat på understøtningen for at skabe en cirkulær membran på ca. 2 kvadratcentimeter i areal.

Membranen er noget af en overlappende mosaik af grafenoxidflager. Det er som at dække overfladen af ​​et bord med spillekort. Og at gøre det på molekylær skala er meget svært, hvis du vil have ensartet dækning og ingen steder, hvor du kan få "lækager". Gasmolekyler leder efter huller overalt, hvor de kan findes, og i en membran bestående af grafenoxidflager, der ville være to sandsynlige steder:huller i flagerne, eller huller mellem flagerne.

Det er mellemrummene mellem flagerne, der har været en reel hindring for fremskridt i lette gasseparationer. Det er derfor, mikroporøse membraner designet til at skelne i dette molekylære område typisk har været meget tykke. "Mindst 20 nm, og normalt tykkere, " sagde Miao. Alt tyndere og gasmolekylerne kunne let finde vej mellem uensartede mellemrum mellem flagerne.

Miaos team udtænkte en metode til at forberede en membran uden disse "inter-flake" lækager. De spredte grafenoxidflager, som er meget heterogene blandinger, når de fremstilles med nuværende metoder, i vand og brugte sonikering og centrifugeringsteknikker til at fremstille en fortyndet, homogen gylle. Disse flager blev derefter lagt på understøtningen ved simpel filtrering.

Deres tyndeste resultat var en 1,8 nm tyk membran, der kun tillod gasmolekyler at passere gennem huller i selve grafenoxidflagerne, holdet rapporterede. De fandt ved atomkraftmikroskopi, at en enkelt grafenoxidflage havde en tykkelse på cirka 0,7 nm. Dermed, den 1,8 nm tykke membran på aluminiumoxid er kun nogle få molekylære lag tyk, med molekylære defekter i grafenoxidet, der i det væsentlige er ensartede og lige lidt for små til at slippe kuldioxid igennem nemt.

Fremskridtet har en række potentielle anvendelser. Med udbredte bekymringer om kuldioxid som drivhusgas, effektiv adskillelse af kuldioxid fra andre gasser har høj forskningsprioritet. I øvrigt, brint repræsenterer en integreret vare i energisystemer, der involverer, for eksempel, brændstofceller, så at rense det fra gasblandinger er også et aktivt interesseområde.

Yu bemærker også, at dimensionerne af molekylsigten er i størrelsesordenen af ​​størrelsen af ​​vand, så, for eksempel, at rense de rigelige mængder af plettet vand produceret ved hydraulisk frakturering (fracking) er en anden mulighed.

At kunne reducere membrantykkelsen – og i en størrelsesorden – er et stort skridt fremad, sagde Yu. "At have membraner så tynde er en stor fordel i separationsteknologi, " sagde han. "Det repræsenterer en helt ny type membran inden for separationsvidenskaberne."