Lavpris grafen-jern-filtre, der selektivt adskiller gasblandinger

UNSW-forskere har vist, hvordan en ny klasse af billige grafen-baserede membraner - en type filter, der bruges i industrisektorer, der genererer enorme blandede affaldsgasser, såsom fast plastaffald, bioaffald eller spildevand - kan indstilles selektivt til at adskille forskellige gasser fra gasblandinger.

Holdet, ledet af Dr. Rakesh Joshi i UNSW Science, håber, at ned ad sporet, de vil være i stand til at bruge disse filtre til at adskille og opfange gasser, der er blevet betragtet som affald, og derfor forbedre den måde, vi bruger spildgasressourcer på.

Papiret, udgivet denne måned i Avancerede materialer , skitserer resultater foretaget i laboratoriet, på en prototype. Nu vil forskerne videreudvikle filteret for at gøre det tilgængeligt for industrien.

Specifikt, holdet undersøgte grafenoxidfiltre, der – i modsætning til alle andre nuværende filter – indeholdt jern.

"Grafen, en tynd plade af kulstofatomer, der dannes i et bikagemønster, betragtes som et vidundermateriale, som er stærkere end stål. I dette stykke arbejde, vi inkorporerede i det væsentlige jern i grafenoxidfiltre, udnytter det faktum, at disse membraner er ultratynde, " siger ledende forsker Dr. Rakesh Joshi.

"Vi fandt ud af, at dette forbedrede grafenoxidets evne til at transportere gas. Det viser sig at tilføje jernet - som er det, vi kalder et overgangsmetal - til grafenoxidmembraner gjorde det muligt for os at adskille forskellige gasser mere effektivt end med andre typer filtre.

"I særdeleshed, materialet var fantastisk til at forbedre permeance - dvs. hvor hurtigt et gasmolekyle transporterer gennem filteret – og selektivitet, som repræsenterer, hvor effektivt gassen adskilles fra blandingen under transporten. Faktisk, vores filter har en hidtil uset selektivitet."

Adskillelse af kuldioxid fra nitrogen

Forskerne siger, at filteret, der er beskrevet i dette papir, også gjorde det muligt for dem at genvinde værdifulde ressourcer ved selektivt at adskille kuldioxid fra nitrogen.

"Højrenset nitrogen bruges i vid udstrækning i materialebearbejdning - f.eks. inden for fremstilling af halvledere – såvel som inden for elektronisk, syntetisk, og medicinsk industri, " siger Xioheng Jin, artiklens første forfatter.

"Culdioxid er en af ​​de mest konventionelle urenheder i gasprodukter. De fleste nuværende metoder til at fjerne CO ₂ producerer ofte farlige kemikalier, og udskillelse af CO ₂ fra nitrogen har betydelig industriel værdi, især til drivhusreduktion af røggasser - f.eks. forbrændingsudstødningsgassen produceret på kraftværker - det har været en udfordring ved at bruge eksisterende teknologier."

I betragtning af de lovende resultater, forskerne håber, at deres resultater vil føre til nye veje til effektivt at adskille kuldioxid fra nitrogen og andre gasser og hjælpe dem med at udvikle nye løsninger til industrien, der bruger denne nye klasse af filtre til alle mulige applikationer.

"Dette fund giver en ny mulighed for anvendelse af grafenbaserede materialer i gasrensningsindustrien, for eksempel, i tilfælde, hvor affald af faste stoffer eller affaldsvæsker genererer giftige gasblandinger, siger Tobias Foller, medforfatter til artiklen.

"Vi mener, at filteret har potentialet til at revolutionere gasseparationsindustrien. I sidste ende, Vi håber, at vores resultater hjælper Australien med at opnå et grønnere samfund og et mere beboeligt miljø."

Hvad med andre metaller?

Holdet ønsker nu at teste det samme princip ved hjælp af andre typer metaller.

"Der er enorme muligheder for alle de andre overgangsmetaller, som ikke er blevet undersøgt, og som kan implanteres i grafenbaserede strukturer og give spændende gasseparationsegenskaber, " siger Xioheng Jin.

I 2018, Dr. Joshis team demonstrerede også med succes en grafen-baseret, filter i laboratorieskala, der kan fjerne mere end 99 % af det allestedsnærværende naturlige organiske stof, der er efterladt under konventionel behandling af drikkevand.