At adskille molekyler kræver meget energi. Denne nanoporøse, varmebestandige membran kunne ændre det

Industrien har længe været afhængig af energikrævende processer, såsom destillation og krystallisation, for at adskille molekyler, der i sidste ende tjener som ingredienser i medicin, kemikalier og andre produkter.

I de seneste årtier har der været et skub for at erstatte disse processer med membraner, som potentielt er et billigere og miljøvenligt alternativ. Desværre er de fleste membraner lavet af polymerer, der nedbrydes under brug, hvilket gør dem upraktiske.

For at løse dette problem har et universitet i Buffalo-ledet forskerhold skabt en ny, mere robust membran, der kan modstå barske miljøer - høje temperaturer, højt tryk og komplekse kemiske opløsningsmidler - forbundet med industrielle separationsprocesser.

Fremstillet af et uorganisk materiale kaldet carbon-doteret metaloxid, er det beskrevet i en undersøgelse offentliggjort 7. september i Science .

"Processerne med at adskille molekyler - hvad enten det er til afsaltning af vand, produktion af medicin eller gødning - bruger en utrolig mængde energi," siger undersøgelsens tilsvarende forfatter, Miao Yu, Ph.D., SUNY Empire Innovation Professor i Institut for Kemi. og biologisk ingeniørvidenskab på universitetet ved Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

"Det, vi har udviklet, er en teknik til nemt at fremstille defektfrie, stærke membraner, der har stive nanoporer, der kan kontrolleres præcist for at tillade molekyler af forskellig størrelse at passere igennem," tilføjer Yu, et kernefakultetsmedlem i UB RENEW Institute.

Studiets første forfattere er Bratin Sengupta, en ph.d. studerende i Yus laboratorium og Qiaobei Dong, Ph.D., som studerede under Yu og nu arbejder hos GTI Energy.

Inspireret af halvledere

For at skabe membranen tog forskerholdet inspiration fra to almindelige, men ikke-relaterede, fremstillingsteknikker.

Den første er molekylær lagaflejring, som involverer lagdeling af tynde film af materialer og er oftest forbundet med halvlederproduktion. Den anden teknik er grænsefladepolymerisation, som er en metode til at kombinere kemikalier, der almindeligvis bruges til at skabe brændselsceller, kemiske sensorer og anden elektronik.

"Disse metoder er ikke nye," siger Sengupta, "uanset måden vi anvender dem på, og det er nøglen til at skabe vores nye nanoporøse membraner."

I eksperimenter fusionerede forskere to billige reaktanter - flydende ethylenglycol og gasformigt titantetrachlorid - på en aluminiumbaseret understøtning. I løbet af få minutter dannede reaktionen en tynd film.

For at skabe nanoporerne tilførte de varme til filmen. Varmen afbrænder kulstof og skaber små, mikroskopiske huller, som molekyler kan passere igennem. Størrelsen af ​​nanoporerne kan være alt fra 0,6 til 1,2 nanometer i diameter - som bestemt af calcineringsgasmiljøet, såvel som mængden og varigheden af ​​varme.

Metoden giver forskerne mulighed for at undgå et nagende problem – små huller, der går over i større, og dermed gør dem mere porøse end beregnet – ved at skabe polymerbaserede membraner.

Potentiale for at reducere CO2-fodaftrykket

Den nye membran kan modstå temperaturer op til 284°F (140°C) og tryk op til 30 atmosfærer, når den udsættes for organiske opløsningsmidler. Disse egenskaber er nøgleord, fordi de tillader membranen at adskille molekyler ved høje temperaturer (for at de fleste polymermembraner skal fungere, skal temperaturen på opløsningsmidlerne sænkes, hvilket er dyrt ud fra et energimæssigt synspunkt).

"Fra dette synspunkt har vores membran potentialet til at reducere CO2-fodaftrykket fra mange industrielle processer," siger Yu.

For at demonstrere membranens effektivitet viste holdet, at den kunne adskille boscalid, et fungicid, der bruges til at beskytte afgrøder, fra dets katalysator og startreagens. Hele processen foregik ved 194°F.

Holdet planlægger yderligere eksperimenter for at bevise, at membranen er i stand til at blive opskaleret til kommercielle produkter. Derudover planlægger Yu at starte et firma for at fremme teknologiens kommercielle levedygtighed.

Flere oplysninger: Bratin Sengupta et al., Carbon-dopet metaloxid-grænsefladenanofilm til ultrahurtig og præcis adskillelse af molekyler, Science (2023). DOI:10.1126/science.adh2404

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af University at Buffalo