Nøjagtig sigtning af gasser gennem atomare porer i grafen

Ved at lave huller i atomær skala i atomisk tynde membraner burde det være muligt at skabe molekylsigter til præcis og effektiv gasseparation, herunder udvinding af kuldioxid fra luft, har forskere fra University of Manchester fundet.

Hvis en porestørrelse i en membran er sammenlignelig med størrelsen af ​​atomer og molekyler, kan de enten passere gennem membranen eller blive afvist, hvilket tillader adskillelse af gasser i henhold til deres molekylære diametre. Industrielle gasseparationsteknologier bruger i vid udstrækning dette princip, ofte afhængige af polymermembraner med forskellig porøsitet. Der er altid en afvejning mellem nøjagtigheden af ​​adskillelse og dens effektivitet:Jo finere du justerer porestørrelserne, jo mindre gasstrøm tillader sådanne sigter.

Det har længe været spekuleret i, at man ved at bruge todimensionelle membraner, der ligner grafen i tykkelse, kan opnå meget bedre afvejninger, end det er muligt i øjeblikket, fordi i modsætning til konventionelle membraner skulle atomisk tynde give lettere gasstrømme med samme selektivitet.

Nu har et forskerhold ledet af professor Sir Andre Geim ved University of Manchester, i samarbejde med videnskabsmænd fra Belgien og Kina, brugt lavenergielektroner til at slå individuelle huller i atomskala i suspenderet grafen. Hullerne kom i størrelser ned til omkring to ångstrøm, mindre end selv de mindste atomer såsom helium og brint.

I december-udgaven af ​​Nature Communications , rapporterer forskerne, at de opnåede praktisk talt perfekt selektivitet (bedre end 99,9%) for sådanne gasser som helium eller brint med hensyn til nitrogen, metan eller xenon. Også luftmolekyler (ilt og nitrogen) passerer let gennem porerne i forhold til kuldioxid, som er>95 % fanget.

Forskerne påpeger, at for at gøre todimensionelle membraner praktiske, er det vigtigt at finde atomisk tynde materialer med iboende porer, det vil sige porer i selve krystalgitteret.

"Precisionssigter til gasser er bestemt mulige, og faktisk er de konceptuelt ikke ulig dem, der bruges til at sigte sand og granulerede materialer. Men for at gøre denne teknologi industrielt relevant, har vi brug for membraner med tæt adskilte porer, ikke individuelle huller skabt i vores undersøgelse for at bevise konceptet for første gang. Først da er de høje strømme, der kræves til industriel gasseparation, opnåelige," siger Dr. Pengzhan Sun, en hovedforfatter af papiret.

Forskerholdet planlægger nu at søge efter sådanne todimensionelle materialer med store iboende porer for at finde dem, der er mest lovende for fremtidige gasseparationsteknologier. Sådanne materialer findes. For eksempel er der forskellige grafyner, som også er atomisk tynde allotroper af kulstof, men endnu ikke fremstillet i skala. Disse ligner grafen, men har større kulstofringe, der svarer i størrelse til de individuelle defekter skabt og undersøgt af Manchester-forskerne. Den rigtige størrelse kan gøre graphynes perfekt egnet til gasseparation. + Udforsk yderligere

Nuldimensionelle molekylsigtemembraner for at øge gasseparationsselektiviteten