Надёжное разделение некоторых газов может быть весьма полезным для широкого спектра применений. Например, это может помочь в производстве водорода (H₂) для топливных элементов и в химической промышленности или для улавливания углекислого газа (CO₂), выделяемого промышленными предприятиями.
Существующие методы разделения газов основаны на использовании так называемых мембран для газоразделения — тонких плёнок, которые пропускают одни газы, блокируя другие. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовления таких мембран является оксид графена (GO) — производное графена, по-разному реагирующее на различные молекулы.
Несмотря на потенциал в разделении газов, традиционные мембраны для газоразделения на основе GO страдают от низкой проницаемости. Это означает, что, хотя они могут разделять H₂ или CO₂, газы проходят через них слишком медленно, чтобы их можно было надёжно использовать в реальных условиях.
Исследователи из Национального университета Сингапура недавно представили новый подход к созданию гофрированных мембран из GO, которые обладают более высокой проницаемостью для H₂ и селективностью (способностью различать разные газы). Их метод, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, может облегчить использование этих мембран в реальных условиях для производства чистого H₂ и улавливания вредных для окружающей среды газов.
«Эта работа возникла из давней проблемы в науке о мембранах: компромисса между селективностью и проницаемостью в мембранах для газоразделения, — рассказала Tech Xplore Дарья В. Андреева, старший автор статьи. — GO показал себя перспективным благодаря настраиваемым наноканалам, но его плотно упакованная структура ограничивает пропускную способность. Мы задались вопросом, может ли контролируемая механическая деформация, в нашем случае гофрирование, вызванное деформацией, изменить внутреннюю архитектуру мембран GO и преодолеть это узкое место».
Основная цель недавнего исследования Андреевой и её коллег — перепроектировать транспортные пути мембран GO, то есть различные области в GO, через которые проходят определённые газы. В конечном итоге исследователи стремились достичь как высокой проницаемости, так и селективности, не ухудшая при этом механическую целостность мембран и возможности их крупномасштабного производства.
«Мы разработали метод гофрирования ламелей GO путём приложения одноосной деформации, — пояснила Андреева. — Этот процесс вызывает локальные морщины и изгибы по всей мембране, создавая иерархическую сеть наноскопических пустот и извилистых путей. Изменённая геометрия позволяет небольшим молекулам газа, таким как водород, диффундировать быстрее, при этом эффективно блокируя более крупные молекулы».
Наиболее заметное преимущество нового подхода, разработанного командой для создания гофрированных мембран GO, заключается в том, что он обеспечивает высокую точность молекулярного просеивания, одновременно увеличивая поток газа, проходящего через мембраны. Это значительное достижение, поскольку ранее считалось, что эти два аспекта являются взаимоисключающими.
В будущем методы, используемые Андреевой и её коллегами, могут быть использованы для изготовления других мембран на основе GO, обладающих ещё более высокой проницаемостью и селективностью. Тем временем исследователи работают над дальнейшим улучшением конструкции своих мембран и адаптацией их для конкретных реальных применений.
«Мы изучаем, как интегрировать концепцию гофрирования со стимул-чувствительными материалами для создания динамически реконфигурируемых мембран, — добавила Андреева. — Мы также планируем протестировать эти мембраны в промышленных условиях и масштабировать их производство с использованием процессов «рулон к рулону». Параллельно мы работаем с инструментами проектирования, управляемыми искусственным интеллектом, чтобы определить другие 2D-материалы, которые могут извлечь выгоду из подобных подходов к структурной инженерии».