Хотя водород присутствует в самых разных молекулах и материалах в природе — воде, комбинации водорода и воды, прежде всего среди них, — он не существует естественным образом в своей чистой элементарной форме, то есть в водороде сам по себе, на земле. Чтобы отделить водород от других элементов, с которыми он обычно связывается, требуется введение электрического тока для возбуждения и разделения атомов в молекулах воды или фильтрация газовой смеси, содержащей водород, через мембрану для отделения водорода от диоксида углерода или углеводородов. .Процесс разделения газа через мембрану является более эффективным и доступным вариантом, поэтому в последние годы исследователи наращивают усилия по разработке мембран, которые могут тщательно и быстро фильтровать водород.Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что использование материала MXene в газоразделительных мембранах может быть наиболее эффективным способом очистки газообразного водорода.
Исследование, проведенное Хайхуэем Вангом, доктором философии, профессором Южно-Китайского технологического университета и Юрием Гогоци, доктором философии, заслуженного университета и профессором Баха инженерного колледжа Дрекселя на факультете материаловедения и инженерии, показывает, что наноматериал — это два: размерная структура позволяет ему избирательно отклонять большие молекулы газа, позволяя водороду проходить между слоями.«В этом отчете мы показываем, как расслоенные двумерные нанолисты MXene могут быть впервые использованы в качестве строительных блоков для создания ламинированных мембран для разделения газов», — сказал Гогоци. «Мы продемонстрировали это, используя модельные системы водорода и углекислого газа».
Работая в сотрудничестве с исследователями из Южно-Китайского технологического университета и Университета Цзилинь в Китае и Ганноверского университета Лейбница в Германии, команда Drexel сообщила, что мембраны, созданные с использованием нанолистов MXene, превосходят по своим характеристикам лучшие мембранные материалы, используемые в настоящее время. использование — как по проницаемости, так и по селективности.В настоящее время в энергетике используется множество различных типов мембран, например, для очистки охлаждающей воды перед ее выпуском и для очистки природного газа перед его распределением для использования. Установки разделения газов также используют их для извлечения азота и кислорода из атмосферы. Это исследование открывает двери для более широкого использования мембранной технологии с возможностью адаптации фильтрующих устройств для отсеивания большого количества газообразных молекул.
Преимущество MXene перед материалами, которые в настоящее время используются и разрабатываются для разделения газов, заключается в том, что его проницаемость и селективность фильтрации зависят от его структуры и химического состава. Напротив, другие мембранные материалы, такие как графен и цеолит, фильтруют только путем физического улавливания — или просеивания — молекул в крошечные сетки и каналы, такие как сеть.
Особые фильтрующие свойства MXenes существуют, потому что они создаются путем химического травления слоев из твердого материала, называемого MAX-фазой. В результате этого процесса образуется структура, больше похожая на губку, с порами разного размера. Группа исследований наноматериалов Гогоци, которая работает с MXenes с 2011 года, может предопределить размер каналов, используя различные типы MAX-фаз и травляя их различными химическими веществами.
Сами каналы могут быть созданы таким образом, чтобы сделать их химически активными, чтобы они могли притягивать — или адсорбировать — определенные молекулы по мере их прохождения. Таким образом, мембрана MXene больше похожа на магнитную сеть, и ее можно сконструировать так, чтобы улавливать самые разные химические вещества при их прохождении.«Это одно из ключевых преимуществ MXenes», — сказал Гогоци. «У нас есть десятки доступных MXen, которые можно настроить для обеспечения селективности по различным газам.
В этом исследовании мы использовали карбид титана MXene, но уже есть как минимум два десятка других MXenes, и ожидается, что в следующей паре будет изучено больше. лет — это означает, что его можно разрабатывать для ряда различных применений в разделении газов ».Универсальный двумерный материал, который был обнаружен в Drexel в 2011 году, уже показал свою способность повышать эффективность устройств хранения электроэнергии, предотвращать электромагнитные помехи и даже очищать воду.
По словам Гогоци, следующим логическим шагом было изучение его газоразделительных свойств.«Наша работа по фильтрации воды, просеиванию ионов и молекул и суперконденсаторов, которая также включает просеивание ионов, предполагает, что молекулы газа также могут быть просеяны с использованием мембран MXene с атомарно тонкими каналами между листами MXene», — сказал он. «Однако нам не хватало опыта в области разделения газов. Это исследование было бы невозможно без наших китайских сотрудников, которые предоставили опыт, необходимый для достижения цели, и продемонстрировали, что мембраны MXene могут эффективно разделять газовые смеси».
Чтобы использовать MXene в промышленных мембранах, группа Gogotsi будет продолжать улучшать их долговечность, химическую и температурную стабильность и снижать стоимость производства.