Стрейн-индуцированное смятие графенового оксида для эффективного разделения водорода и углекислого газа

Скам и безопасность

Графеновый оксид (ГО) давно привлекает внимание ученых и инженеров благодаря своим уникальным свойствам и потенциалу для создания современных мембранных технологий. Однако узкая взаимосвязь между проницаемостью и селективностью традиционных плоских мембран из ГО ограничивала их применение в масштабах промышленного производства. Новое исследование, опубликованное в Nature Nanotechnology, предлагает революционный подход — использование механического напряжения для формирования смятых структур графенового оксида, что значительно улучшает характеристики газоразделения, особенно для таких важных газов, как водород (H2) и углекислый газ (CO2). Технология, основанная на стрейн-индуцированном смятии ГО-ламелей, раскрывает перспективу создания мембран, обладающих высокой проницаемостью и избирательностью при сохранении долговременной стабильности даже в экстремальных условиях эксплуатации. Графеновый оксид представляет собой оксидированную форму графена – двумерного материала с атомарно тонким слоем углерода.

Благодаря наличию функциональных групп на поверхности и изменённой структуре его слои можно использовать для формирования мембран с молекулярной избирательностью. Однако традиционные линейные слоистые ГО-мембраны имеют плотное строение с извилистыми путями диффузии, что ограничивает скорость прохождения молекул газа. В результате приходится искать баланс между проницаемостью и селективностью — параметры, которые до сих пор считались взаимоисключающими. Важнейшей задачей стало создание мембраны, способной обеспечивать быстрое прохождение нужных молекул, одновременно подавляя прохождение нежелательных компонентов смеси. Преодолеть эти ограничения помогла идея целенаправленного изменения морфологии мембран путем воздействия механического напряжения, что и приводит к смятию (крамплингу) тонких слоёв графенового оксида.

В результате деформации образуется многодоменная структура с контролируемыми каналами и путями прохождения газа. Такие сложные трёхмерные пути значительно увеличивают сквозную проницаемость, но за счет своего структурирования и специфического строения способны поддерживать высокую селективность, защищая мембрану от непреднамеренной утечки газов. Экспериментальная реализация данного подхода базируется на промышленно применимых методах производства мембран. Важным моментом стала возможность масштабного изготовления смятых ГО-мембран, которые отличаются повышенной механической прочностью и стабильностью. Для формирования трёхмерной структуры применяли термическое сжатие полимерной подложки, на которую нанесён слой ГО, в результате чего подложка сжимается, а ГО-слои подвергаются стрессу и приобретают характерный смятый рельеф.

Такая технология позволяет создавать единообразные пленки с прогнозируемыми параметрами каналов, что важно для их промышленного тиражирования. Полученные смятые мембраны продемонстрировали поразительные результаты — водородный поток достиг показателя проницаемости порядка 2,1 × 10^4 баррер, что почти в двести раз превосходит аналогичные показатели плоских ГО-структур. Одновременно с этим достигалась селективность в отношении водорода к углекислому газу на уровне 91 — это рекордный показатель среди современных мембранных технологий. Такой уровень селективности обеспечивает эффективное разделение водорода из газовых смесей, что крайне важно для энергетики и производства чистого водорода. Дополнительным преимуществом данных мембран стала их высокая устойчивость к неблагоприятным внешним условиям, включая низкие температуры порядка минус 20 °C и высокую влажность около 96%.

Длительная эксплуатационная стабильность в экстремальной среде является критически важной для промышленных применений, позволяя мембранам функционировать без быстрой деградации и необходимости частой замены. На фундаментальном уровне изменения структуры ГО под действием механического напряжения можно сопоставить с теорией упругости и морфологии двумерных материалов, согласно которой тонкие листы при приложении внешнего усилия склонны к образованию складок, изгибов и смятий для минимизации энергии деформации. В сформированных многоуровневых каркасах газ движется по новым уникальным каналам, которые функционируют как молекулярные сита, позволяя маленьким молекулам недеформируемо проходить, но задерживают более крупные или взаимодействующие по-своему с поверхностью газы. Сферы использования данной технологии весьма разнообразны. В первую очередь, быстрый и эффективный забор водорода открывает перспективы для энергетики — в частности, для водородных топливных элементов и систем хранения чистого водорода.

Выделение и улавливание CO2 с высокой селективностью способствует развитию экологически дружественных решений в области уменьшения парниковых выбросов и реализации технологий улавливания углерода, что критично в борьбе с глобальным потеплением. Кроме того, технология имеет потенциал для интеграции в существующие установки разделения газов, предлагая удешевление процессов и повышение эффективности по сравнению с традиционными методами, такими как адсорбция или охлаждение. Возможность масштабного промышленного производства и стабильность эксплуатации делают смятые ГО-мембраны привлекательным решением для большого количества производственных отраслей, включая нефтехимию, энергетику и экологические технологии. Примечательно, что разработчики обеспечили свободный доступ к первичным данных и детальной методологии, что позволит научному сообществу расширять и адаптировать технологию для других целей и газовых смесей. Это открывает двери для дальнейших исследований в области двумерных материалов и мембранных технологий, а также внедрения новых подходов к управлению структурой и свойствами листовых композитов.

Подводя итог, стрейн-индуцированное смятие графенового оксида – это прорыв в мембранном газоразделении, позволяющий преодолеть веками известный компромисс между проницаемостью и селективностью. За счет оригинального подхода к морфологической трансформации материала достигнуты высокие показатели производительности и устойчивости, что делает технологию практически готовой к внедрению в промышленность. Данный метод демонстрирует, как принципы современной физики и материаловедения могут эффективно решать насущные задачи энергетики и экологии в эпоху устойчивого развития.