I ricercatori di Graphene Flagship hanno superato i limiti teorici delle prestazioni delle membrane nella separazione dei gas. Questa ricerca collaborativa dei partner di Graphene Flagship CNR, Università di Bologna e Graphene-XT ha potenziali applicazioni nella purificazione dell'idrogeno e nella cattura e stoccaggio del carbonio.

Le membrane a base di polimeri per la separazione dei gas hanno un compromesso tra elevata permeabilità ai gas e alta selettività del gas, il cosiddetto limite superiore di Robeson. Combinando i singoli fogli di ossido di grafene con distanziatori polimerici, in una struttura a sandwich, I ricercatori di Graphene Flagship sono stati in grado di superare tale limite, separare il gas in modo rapido ed efficiente.

Concentrandosi sulla produzione di un dispositivo di separazione del gas utile per la cattura e lo stoccaggio del carbonio, i ricercatori hanno ideato un protocollo per separare la CO2 dall'H2. produzione di idrogeno, sia da gas naturale che nella gassificazione di combustibili liquidi o solidi, è spesso accompagnata dalla formazione di una quantità significativa di CO2, che deve essere rimosso prima di utilizzare il gas. Una separazione efficiente della CO2 ha un potenziale maggiore per la cattura di questo gas serra.

Utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, i ricercatori hanno depositato strati alternati di ossido di grafene e un polimero poli(etilenimmina) - PEI, utilizzando un metodo di autoassemblaggio, per realizzare la membrana di separazione dei gas. Utilizzando l'ossido di grafene, (un materiale grafene idrosolubile a causa della sua natura ossidata), il team è stato in grado di depositare singoli strati di ossido di grafene separati dal PEI.

La profondità dello strato di PEI che funge da distanziatore tra gli strati di ossido di grafene è risultata di vitale importanza per garantire un elevato flusso di gas attraverso la membrana. Questo sistema di separazione contiene quindi un materiale stratificato e uno strato polimerico ultrasottile con uno spessore di circa due nanometri. I fogli di ossido di grafene costringono le molecole gassose a diffondere un percorso tortuoso all'interno delle catene PEI.

"Passando dalla membrana tridimensionale standard a una struttura polimerica a strati, abbiamo ottenuto la separazione dei gas oltre il limite di Robeson in una membrana di soli 100 nm di spessore, " ha detto il professor Vincenzo Palermo, coordinatore del team che esegue questa ricerca e vicedirettore della Graphene Flagship.

È importante sottolineare che si è inoltre riscontrato che la permeabilità di queste membrane ai diversi gas dipende fortemente dal diametro delle molecole di gas. Ciò conferisce alla membrana una selettività unica che alla fine fornisce alla tecnica di separazione del gas sia una permeabilità regolabile che un'elevata selettività, nonché il potenziale per essere utilizzato su larga scala. La maggiore funzionalità dei film PEI economici rende queste membrane per la separazione dei gas molto attraenti per le applicazioni.

"Attraverso la nostra collaborazione con l'Università di Bologna e Graphene-XT all'interno del Flagship, siamo stati in grado di valutare la natura scalabile di questa ricerca negli impianti industriali per separare i gas, ", ha detto il palermitano.

"Gli autori portano a un nuovo livello il concetto di strutture composite bidimensionali. Sono riusciti a produrre pile periodiche di materiali stratificati e polimeri unidimensionali, su vaste aree, utilizzando deboli forze elettrostatiche. In questo modo si osserva un processo di permeazione del gas molto diverso da quello che si osserva nelle pile "classiche" di nanosheet bidimensionali, " disse Xinliang Feng, il leader del pacchetto di lavoro Functional Foam e Coatings di Graphene Flagship, "Questo lavoro dimostra la potenza e la versatilità degli approcci chimici per costruire strutture complesse; degno di nota, deriva anche da una collaborazione dei partner di Functional Foam and Coatings Work-Package con una PMI partner che supporta i nostri progetti di punta."

Professor Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene, e presidente del suo comitato direttivo, ha aggiunto "Questo è un altro esempio di come il Graphene Flagship può combinare l'avanguardia della ricerca con applicazioni pratiche. Il potenziale del grafene e dei materiali correlati nella tecnologia delle membrane è stato riconosciuto all'inizio, e questo lavoro lo avvicina di un passo alle applicazioni più diffuse."