Figura 1. Micrografia elettronica a trasmissione di zeolite avvolta in grafene. Credito:gli autori
Gli effetti del riscaldamento globale stanno diventando più gravi e c'è una forte richiesta di progressi tecnologici per ridurre le emissioni di anidride carbonica. L'idrogeno è un'energia pulita ideale che produce acqua quando viene bruciata. Per promuovere l'uso dell'energia a idrogeno, è essenziale sviluppare tecnologie sicure e di risparmio energetico per la produzione e lo stoccaggio dell'idrogeno. Attualmente, l'idrogeno è prodotto da gas naturale, quindi non è appropriato per la decarbonizzazione. Usare molta energia per separare l'idrogeno non lo farebbe qualificare come energia pulita.
Le membrane di separazione polimeriche hanno il grande vantaggio di allargare la membrana di separazione e aumentare il coefficiente di separazione. Tuttavia, la velocità di permeazione attraverso la membrana è estremamente bassa e deve essere applicata un'alta pressione per aumentare la velocità di permeazione. Pertanto, è necessaria una grande quantità di energia per la separazione utilizzando una membrana di separazione polimerica. L'obiettivo è creare un nuovo tipo di tecnologia delle membrane di separazione in grado di raggiungere velocità di separazione 50 volte superiori a quelle delle membrane di separazione convenzionali.
La membrana a setacciatura molecolare avvolta in grafene preparata in questo studio ha un fattore di separazione di 245 e un coefficiente di permeazione di 5,8 x 10 6 barrers, che è oltre 100 volte migliore di quella delle tradizionali membrane di separazione polimeriche. Se le dimensioni della membrana di separazione aumenteranno in futuro, è molto probabile che venga stabilito un processo di separazione a risparmio energetico per la separazione di gas importanti come anidride carbonica e ossigeno, nonché idrogeno.
Come si vede nell'immagine del microscopio elettronico a trasmissione nella Figura 1, il grafene è avvolto attorno al cristallo di zeolite di tipo MFI, essendo idrofobo. L'involucro utilizza i principi della scienza colloidale per mantenere i piani cristallini di grafene e zeolite vicini l'uno all'altro a causa della riduzione dell'interazione repulsiva. Circa cinque strati di grafene racchiudono cristalli di zeolite in questa figura. Intorno alla freccia rossa, c'è uno stretto spazio di interfaccia in cui solo l'idrogeno può permeare. Il grafene è presente anche sulla zeolite idrofobica, quindi la struttura del cristallo di zeolite non può essere vista con questo. Poiché tra il grafene agisce una forte forza attrattiva, i cristalli di zeolite avvolti con grafene sono a stretto contatto tra loro mediante un semplice trattamento di compressione e non lasciano passare alcun gas.
La figura 2 mostra un modello in cui cristalli di zeolite avvolti con grafene sono in contatto tra loro. La superficie del cristallo di zeolite ha scanalature derivate dalla struttura e c'è un canale interfacciale tra zeolite e grafene attraverso il quale le molecole di idrogeno possono permeare selettivamente. Il modello in cui sono collegati i cerchi neri è il grafene e in alcuni punti sono presenti nano-finestre rappresentate da spazi vuoti. Qualsiasi gas può permeare liberamente le nanofinestre, ma i canali molto stretti tra le facce dei cristalli di grafene e zeolite consentono all'idrogeno di permeare preferenzialmente. Questa struttura consente un'efficiente separazione di idrogeno e metano. D'altra parte, il movimento dell'idrogeno è rapido perché ci sono molti vuoti tra le particelle di zeolite avvolte nel grafene. For this reason, ultra-high-speed permeation is possible while maintaining the high separation factor of 200 or more.
Figure 2. The black circle connection is a one-layer graphene model, and the nano window is shown as blank. Red hydrogen permeates the gap between graphene and the surface of the zeolite crystal. On the other hand, large CH4 molecules are difficult to permeate. Credit:The Authors
Figure 3 compares the hydrogen separation factor and gas permeation coefficient for methane with the previously reported separation membranes. This separation membrane separates hydrogen at a speed of about 100 times while maintaining a higher separation coefficient than conventional separation membranes. The farther in the direction of the arrow, the better the performance. This newly developed separation membrane has paved the way for energy-saving separation technologies for the first time.
Figure 3. The measurement point of this separation membrane is within the red dotted line. Credit:The Authors
In addition, this separation principle is different from the conventional dissolution mechanism with polymers and the separation mechanism with pore size in zeolite separation membranes, and it depends on the separation target by selecting the surface structure of zeolite or another crystal. High-speed separation for any target gas is possible in principle. For this reason, if the industrial manufacturing method of this separation membrane and the separation membrane becomes scalable, the chemical industry, combustion industry, and other industries can enjoy significantly improved energy consumption, leading to a significant reduction in carbon dioxide emissions. Currently, the group is conducting research toward the establishment of basic technology for rapidly producing a large amount of enriched oxygen from air. The development of enriched oxygen manufacturing technologies will revolutionize the steel and chemical industry and even medicine.
The research was published in Science Advances . + Esplora ulteriormente
