L'idrogeno è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra e una fonte di carburante eccezionalmente pulita. Mentre si sta facendo strada nelle celle a combustibile delle auto elettriche, autobus e mezzi pesanti, il suo uso diffuso è ostacolato dal costoso processo di separazione del gas necessario per produrre idrogeno puro. Ma quel processo potrebbe presto diventare più efficiente ed economico grazie a una scoperta di un team internazionale di ricercatori, guidato negli Stati Uniti dalla Drexel University. Il gruppo ha scoperto proprietà di separazione dei gas eccezionalmente efficienti in un nanomateriale chiamato MXene che potrebbe essere incorporato nelle membrane utilizzate per purificare l'idrogeno.

Mentre l'idrogeno è presente in un'ampia varietà di molecole e materiali in natura - acqua, una combinazione di idrogeno e ossigeno, primo fra tutti - non esiste naturalmente nella sua pura forma elementare - cioè, idrogeno da solo, sulla terra. Per separare l'idrogeno dagli altri elementi ai quali si lega comunemente, richiede l'introduzione di una corrente elettrica per eccitare e dividere gli atomi nelle molecole d'acqua, o filtrare una miscela gassosa contenente idrogeno, attraverso una membrana per separare l'idrogeno dall'anidride carbonica o dagli idrocarburi.

Il processo di separazione del gas tramite membrana è l'opzione più efficace ed economica, quindi negli ultimi anni i ricercatori hanno intensificato gli sforzi per sviluppare membrane in grado di filtrare completamente e rapidamente l'idrogeno.

Uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , indica che l'utilizzo di materiale MXene nelle membrane di separazione del gas potrebbe essere il modo più efficiente per purificare l'idrogeno. La ricerca, guidato da Haihui Wang, dottorato di ricerca, un professore della South China University of Technology e Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, mostra che la struttura bidimensionale del nanomateriale gli consente di respingere selettivamente grandi molecole di gas, lasciando scivolare l'idrogeno tra gli strati.

"In questo rapporto mostriamo come i nanofogli di MXene bidimensionali esfoliati possono essere utilizzati come elementi costitutivi per costruire per la prima volta membrane laminate per la separazione dei gas, " Ha detto Gogotsi. "Abbiamo dimostrato questo utilizzando sistemi modello di idrogeno e anidride carbonica".

Lavorando in collaborazione con ricercatori della South China University of Technology e della Jilin University, in Cina, e Università Leibniz di Hannover, in Germania, il team di Drexel ha riferito che le membrane create utilizzando nanosheet di MXene superano le prestazioni dei migliori materiali di membrana attualmente in uso, sia in termini di permeabilità che di selettività.

Molti tipi diversi di membrane sono attualmente in uso nell'industria energetica, ad esempio per purificare l'acqua di raffreddamento prima che venga rilasciata, e per la raffinazione del gas naturale prima che venga distribuito per l'uso. Gli impianti di separazione del gas li utilizzano anche per recuperare azoto e ossigeno dall'atmosfera. Questo studio apre le porte a un uso esteso della tecnologia a membrana, con la possibilità di adattare i dispositivi di filtrazione per setacciare un gran numero di molecole gassose.

Il vantaggio di MXene rispetto ai materiali attualmente utilizzati e sviluppati per la separazione dei gas è che sia la sua permeabilità che la selettività di filtrazione sono legate alla sua struttura e composizione chimica. Al contrario, altri materiali della membrana, come grafene e zeolite, fanno il loro filtraggio solo intrappolando fisicamente - o setacciando - le molecole in minuscole griglie e canali, come una rete.

Le proprietà di filtrazione speciali di MXenes esistono perché sono create mediante incisione chimica di strati da un pezzo solido di materiale, chiamata fase MAX. Questo processo forma una struttura che è più simile a una spugna, con pori fessurati di varie dimensioni. Il gruppo di ricerca sui nanomateriali di Gogotsi, che lavora con MXenes dal 2011, può predeterminare la dimensione dei canali utilizzando diversi tipi di fasi MAX e incidendoli con diversi prodotti chimici.

I canali stessi possono essere creati in modo da renderli chimicamente attivi, quindi sono in grado di attrarre - o adsorbire - determinate molecole al loro passaggio. Così, una membrana MXene funziona più come una rete magnetica e può essere progettata per intrappolare un'ampia varietà di specie chimiche durante il loro passaggio.

"Questo è uno dei principali vantaggi di MXenes, " Ha detto Gogotsi. "Abbiamo dozzine di MXene disponibili che possono essere sintonizzati per fornire selettività a diversi gas. In questo studio abbiamo utilizzato il carburo di titanio MXene, ma ci sono almeno due dozzine di altri MXene già disponibili, e altri dovrebbero essere studiati nei prossimi due anni, il che significa che potrebbe essere sviluppato per una serie di diverse applicazioni di separazione dei gas".

Il versatile materiale bidimensionale, che è stato scoperto a Drexel nel 2011, ha già dimostrato la sua capacità di migliorare l'efficienza dei dispositivi di accumulo elettrico, stave off electromagnetic interference and even purify water. Studying its gas separation properties was the next logical step, according to Gogotsi.

"Our work on water filtration, the sieving of ions and molecules, and supercapacitors, which also involves ion sieving, suggested that gas molecules may also be sieved using MXene membranes with atomically thin channels between the MXene sheets, " ha detto. "Tuttavia, we were lacking experience in the gas separation field. This research would not have been possible without our Chinese collaborators, who provided the experience needed to achieve the goal and demonstrated that MXene membranes can efficiently separate gas mixtures."

In order for MXene to make its way into industrial membranes, Gogotsi's group will continue to improve its durability, chemical and temperature stability and reduce the cost of production.