Mkene Nanomaterial может обеспечить эффективное разделение газа

Несмотря на то, что водород является одним из самых богатых элементов на планете и чрезвычайно чистым источником топлива, его широкое использование в топливных элементах автобусов, электромобилей и тяжелого оборудования затруднено дорогостоящий процесс газоразделения, необходимый для синтеза чистого водорода.

Группа международных исследователей, включая доктора Дрекселя Юрия Гогоци, изучает MXene для использования в газе разделение. (Image credit: Drexel University)

Однако в ближайшем будущем этот процесс может стать высокоэффективным и экономичным из-за открытия международной исследовательской группой, возглавляемой Университетом Дрекселя, в Соединенных Штатах. Команда обнаружила чрезвычайно эффективные характеристики разделения газа в наноматериале, известном как MXene, который может быть объединен с мембранами, принятыми для очистки водорода.

Хотя водород существует в широком спектре материалов и молекул в природе, прежде всего это вода (комбинация водорода и кислорода), она естественным образом не возникает на Земле в ее чистой элементарной форме. Выделение водорода из других элементов, с которыми он обычно связывается, предусматривает введение электрического тока для стимуляции и дезинтеграции атомов в молекулах воды или фильтрации газообразной смеси, включая водород, с использованием мембраны для выделения водорода из углеводородов или двуокиси углерода .

Процедура разделения газов через мембрану является наиболее эффективным и недорогим процессом. Поэтому в недавнем прошлом ученые ускорили свои попытки создания мембран с возможностью абсолютно и быстро фильтровать водород.

Согласно исследованию, опубликованному недавно в журнале Nature Communications использование материала MXene в газоразделительных мембранах может быть наиболее эффективным методом очистки газообразного водорода. Исследование возглавлял профессор Haihui Wang, профессор Южно-Китайского технологического университета; и Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор Баха в инженерном колледже Дрекселя, в отделе материаловедения и инженерии. Это указывает на то, что двумерная структура наноматериала позволяет избирательно фильтровать большие молекулы газа, позволяя водороду проходить через слои.

В этом отчете мы покажем, как расслоенные двумерные наносеки MXene могут использоваться в качестве строительных блоков для создания ламинированных мембран для разделения газов в первый раз. Мы продемонстрировали это с использованием модельных систем водорода и двуокиси углерода .

Юрий Гогоци

Группа Drexel работала в сотрудничестве с учеными из Южно-Китайского технологического университета, Университета Цзилинь (также в Китае) и Университета Лейбница в Ганновере в Германии. Они описали, что мембраны, разработанные с использованием нанокристаллов MXene, как оказалось, функционируют лучше, чем верхние линейные мембранные материалы, в отношении проницаемости, а также селективности.

Различные разнородные типы мембран используются в настоящее время в энергетической отрасли; например, для очистки воды хладагента до ее выпуска и для очистки природного газа перед его подачей для использования. Газоразделительные установки также используют эти мембраны для извлечения кислорода и азота из атмосферы. Это исследование является ступенью для разработки мембранной технологии с возможностью настройки фильтрующих устройств для фильтрации широкого спектра газообразных молекул.

Преимущества MXene над материалами, которые широко используются и создаются для разделения газа, заключаются в том, что его проницаемость, а также избирательность фильтрации зависят от ее химического состава и структуры. И наоборот, другие мембранные материалы, такие как цеолит и графен, выполняют фильтрацию посредством физического улавливания или фильтрации молекул в крошечных каналах и сетках; аналогично сети.

Отличительные характеристики фильтрации MXene обусловлены тем, что они разработаны путем химического травления слоев из твердого куска материала, известного как фаза MAX. Эта процедура образует структуру, похожую на губку, включая щелевые поры разного размера. Исследовательская группа Gogotsi Nanomaterials Research, которая сотрудничает с MXenes с 2011 года, может предопределить размер каналов, приняв различные фазы MAX и травируя их различными химикатами.

Каналы могут быть разработаны таким образом, чтобы сделать их химически активными, чтобы они могли привлекать или адсорбировать определенные молекулы при их прохождении. Следовательно, мембрана MXene действует в значительной степени как магнитная сеть и может быть спроектирована с возможностью захвата широкого спектра химических веществ, когда они проходят.

Это одно из ключевых преимуществ MXenes. У нас есть десятки доступных MXenes, которые могут быть настроены для обеспечения избирательности для разных газов. Мы использовали карбид титана MXene в этом исследовании, но есть уже как минимум два десятка других MXenes, которые уже доступны, и ожидается, что еще несколько исследований будут изучены в ближайшие пару лет, что означает, что он может быть разработан для ряда различных приложений разделения газов .

Юрий Гогоци

Приспосабливаемый двухмерный материал, открытый в Drexel в 2011 году, до сих пор демонстрировал свой потенциал для повышения эффективности электрических устройств хранения, предотвращения электромагнитных помех, а также очистки воды. Гогоци заявил, что следующим шагом логического шага является исследование его характеристик разделения газа.

. Наши работы по фильтрации воды, просеиванию ионов и молекул и суперконденсаторам, которые также включают ионное просеивание, предполагали, что молекулы газа могут также просеиваться с использованием мембран MXene с атомарно тонкими каналами между листами MXene. Однако у нас не было опыта в области разделения газа. Это исследование было бы невозможным без наших китайских сотрудников, которые предоставили опыт, необходимый для достижения этой цели, и продемонстрировали, что мембраны MXene могут эффективно разделять газовые смеси .

Юрий Гогоци

Для обеспечения промышленного использования MXene команда Gogotsi еще больше повысит свою химическую и температурную стабильность и долговечность и снизит себестоимость.

Source link