Графеновый оксид (ГО) давно считается потенциально революционным материалом в области мембранных технологий, особенно для разделения газов. Его уникальные физические и химические свойства делают его идеальной платформой для создания сит молекулярного уровня. Тем не менее широкое промышленное применение было ограничено из-за низкой проницаемости традиционных плоских мембран из графенового оксида, связанных с их плотной слоистой структурой и сложными путями диффузии молекул. Для преодоления этого ограничения ученые разработали инновационный подход – деформацию или «сминание» графенового оксида с помощью механического напряжения, что кардинально изменяет структуру материала, открывая новые, более эффективные каналы для транспортировки молекул газа. В основе идеи лежит создание многодоменной структуры за счет сминания листов графенового оксида.
При растяжении и последующем сжатии тонкие полотна ГО приобретают форму складок и морщин, которые, подобно «корявой бумаге», не только увеличивают доступную поверхность, но и формируют короткие и менее извилистые пути для газов. За счет этого значительно повышается скорость диффузии преимущественно молекул водорода и углекислого газа, что подтверждено экспериментальными данными: проницаемость H2 достигла порядка 2.1 × 10⁴ бар, что во много раз превышает показатели традиционных плоских мембран ГО, у которых проницаемость обычно не превосходит 100 бар. Кроме значительного повышения пропускной способности важным фактором является высокая селективность по отношению к водороду и углекислому газу. Мембраны со смятым ГО демонстрируют коэффициент селективности H2/CO2 порядка 91, что значительно превосходит современные технологические решения в области мембранного газоразделения.
Такая селективность позволяет эффективно отделять водород от газовых смесей, включая промышленные выбросы, где наряду с водородом и диоксидом углерода присутствуют другие компоненты. Процесс производства самих смятых мембран может быть внедрен на промышленном уровне благодаря простоте и экономичности метода. Технология подразумевает использование термического усадки подложек, к которым наносится графеновый оксид, что приводит к возникновению напряжения и формированию заданной морщинистой структуры на поверхности пленки. Это позволяет контролировать масштаб и конфигурацию складок, а следовательно и характеристики мембраны, в широких пределах, адаптируя её под конкретные задачи и условия эксплуатации. Стабильность материалов в экстремальных условиях эксплуатации – важный аспект для реального применения.
Проведенные испытания показали, что смятые GO-мембраны сохраняют свои свойства при температуре до –20°C и высокой влажности порядка 96%. Долговечность и устойчивость к деформациям и химическим воздействиям подтверждают их пригодность для промышленного использования в газовой промышленности, энергетике и системах очистки выбросов. На физическом уровне улучшение газопроницаемости и селективности объясняется сочетанием геометрических изменений и взаимодействий между молекулами газа и функциональными группами на поверхности складок. Складчатая структура создает локальные участки с уменьшенной толщиной и измененными межслоевыми расстояниями, что облегчает проникновение небольших молекул, таких как водород, при одновременном ограничении прохождения более крупных компонентов. Кроме того, морщины и изгибы влияют на поля напряжения внутри мембраны, что дополнительно оптимизирует транспортные свойства.
Данный подход разрешает известную проблему компромисса между проницаемостью и селективностью, характерную для большинства материалов мембранного разделения. Обычно увеличение проницаемости сопровождается снижением селективности и наоборот. Механическое сминание графенового оксида обеспечивает улучшение обеих характеристик, что открывает перспективы для разработки высокоэффективных мембран с двойной функциональностью: быстрым пропуском нужных газов и эффективным барьером для нежелательных компонентов. Еще одна важная составляющая инновации – возможность масштабируемого производства и интеграции в существующие технологические цепочки газоразделения и очистки. Это особенно актуально с учетом актуальных тенденций перехода на чистые источники энергии и сокращения углеродного следа.
Энергоэффективные мембраны из смятого ГО могут быть внедрены в установках для чистки биогаза, производства чистого водорода для солнечной энергетики, или систем обработки промышленных выбросов углекислого газа, существенно повышая общую экологическую эффективность процессов. Кроме того, технология обладает высокой гибкостью в настройке свойств. Параметры изготовления, такие как степень растяжения, температура усадки подложки и состав растворов ГО, позволяют точно управлять конфигурацией складок, размерами пор и химической функционализацией поверхности. Это позволяет создавать специализированные мембраны для разделения более широкого спектра газов, выходящих за пределы водорода и CO2, в том числе кислорода, азота и других газовых смесей. Исследования смятого графенового оксида также стимулируют развитие фундаментального понимания механики двухмерных материалов и их взаимодействия с молекулами на атомном и молекулярном уровне.
