В то время как водород присутствует в большом разнообразии молекул и материалов по своей природе – вода, комбинация водорода и воды, в первую очередь среди них – это естественно не существует в своей чистой элементной форме – то есть, водород самостоятельно, на Земле. Отделить водород от других элементов, до которых это обычно связи, это требует, чтобы представление электрического тока взволновало и разделило обособленно атомы в молекулах воды или фильтрацию газообразной смеси, содержащей водород, через мембрану, чтобы отделить водород от углекислого газа или углеводородов.Процесс газового разделения через мембрану – более эффективный и доступный выбор, таким образом, в последние годы исследователи увеличивали усилия развивать мембраны, которые могут полностью и быстро отфильтровать водород.
Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications, указывает, что использование материала MXene в мембранах газового разделения могло быть самым эффективным способом очистить водородный газ. Исследование, во главе с Хэйхуи Ваном, доктором философии, преподавателем из Южного китайского Технологического университета и Юрием Гогоци, доктором философии, Выдающимся преподавателем Университета и Баха в Колледже Дрекселя Разработки, в Отделе Материаловедения и Разработки, показывает, что двумерная структура наноматериала позволяет ему выборочно отклонить большие газовые молекулы, позволяя водородному промаху между слоями.«В этом отчете мы показываем, как расслоился, двумерные нанолисты MXene могут использоваться в качестве стандартных блоков, чтобы построить слоистые мембраны для газового разделения впервые», сказал Гоготси. «Мы продемонстрировали эту модель использования системы водорода и углекислого газа».
Работая в сотрудничестве с исследователями из Южного китайского Технологического университета и Цзилиньского университета, в Китае и Университете Лейбница Ганновера, в Германии, команда Drexel сообщила, что мембраны создали использование, нанолисты MXene выигрывают у первоклассных мембранных использующихся в настоящее время материалов – и в проходимости и в селективности.Много различных видов мембран используются в настоящее время всюду по энергетике, например для очищения воды хладагента, прежде чем это будет выпущено, и для очистки природного газа, прежде чем это будет распределено для использования. Газовые средства для разделения также используют их, чтобы восстановить азот и кислород от атмосферы. Это исследование открывает дверь для расширенного использования мембранной технологии с возможностью покроя устройств фильтрации, чтобы просеять большое количество газообразных молекул.
Преимущество MXENE перед материалами, в настоящее время используясь и развитый для газового разделения состоит в том, что и его проходимость и селективность фильтрации связаны с его структурой и химическим составом. В отличие от этого, другие мембранные материалы, такие как графен и цеолит, делают свою фильтрацию только, физически заманивая в ловушку – или просеивая – молекулы в крошечных сетках и каналы, как сеть.Специальные свойства фильтрации MXenes существуют, потому что они созданы, химически запечатлев слои от твердой части материала, названного фазой МАКСА.
Этот процесс формирует структуру, которая больше похожа на губку с порами разреза различных размеров. Nanomaterials Research Group Гоготси, которая работала с MXenes с 2011, может предопределить размер каналов при помощи различных типов фаз МАКСА и гравюры их с различными химикатами.
Сами каналы могут быть созданы способом, который делает их химически активными, таким образом, они в состоянии привлечь – или адсорбировать – определенные молекулы, как они проходят. Таким образом мембрана MXene функционирует больше как магнитная сеть, и она может быть разработана, чтобы заманить большое разнообразие в ловушку химических разновидностей, как они проходят.«Это – одно из главных преимуществ MXenes», сказал Гоготси. «У нас есть десятки MXenes, доступного, который может быть настроен, чтобы предоставить селективность различным газам.
Мы использовали карбид титана MXene в этом исследовании, но есть по крайней мере две дюжины других MXenes, уже доступные, и больше, как ожидают, будет изучено через следующие несколько лет – что означает, что это могло быть развито для многих различных газовых приложений разделения».Универсальный двумерный материал, который был обнаружен в Drexel в 2011, уже показал свою способность повысить эффективность электрических устройств хранения данных, предотвратить электромагнитное вмешательство и даже очистить воду. Изучение его газовых свойств разделения было следующим логическим шагом, по данным Gogotsi.
«Наша работа над водной фильтрацией, просеиванием ионов и молекул и суперконденсаторов, который также включает просеивание иона, предположила, что газовые молекулы могут также быть просеяны, используя мембраны MXene с атомарно тонкими каналами между листами MXene», сказал он. «Однако мы испытывали недостаток в опыте в газовой области разделения. Это исследование не было бы возможно без наших китайских сотрудников, которые обеспечили, опыт должен был достигнуть цели и продемонстрировал, что мембраны MXene могут эффективно отделить газовые смеси».
Для MXene, чтобы превратить его путь в промышленные мембраны, группа Гоготси продолжит улучшать свою длительность, химическую и температурную стабильность и уменьшать стоимость производства.