Het sluiten van de gaten-met mxene gecoate luchtfilters vertonen verbeterde prestaties en herbruikbaarheid

Ondanks verbeteringen aan luchtfiltratietechnologie in de nasleep van de COVID-19-pandemie, kunnen sommige van de kleinste deeltjes-die van de auto- en fabrieksemissies-nog steeds een weg banen door minder efficiënte, maar gemeenschappelijke filters. Een interdisciplinair team van onderzoekers van het Drexel University’s College of Engineering heeft een nieuwe manier geïntroduceerd om textielgebaseerde filters te verbeteren door ze te coaten met een type tweedimensionaal nanomateriaal genaamd MXene.

Onlangs gepubliceerd in het tijdschrift C – Journal of Carbon Researchmeldt het onderzoek van het team dat een niet-geweven polyester textiel-een goedkoop materiaal met lage filtratie-efficiëntie-gecoat met een dunne laag mxene nanomateriaal kan veranderen in een krachtig filter dat in staat is om enkele van de beste nanodeeltjes uit de lucht te trekken.

“Het kan een uitdaging zijn voor gewone filters om te kampen met deeltjes van minder dan 100 nanometers, waaronder die uitgestoten door industriële processen en auto’s,” zei Michael Waring, Ph.D., een professor aan Drexel’s College of Engineering, en co-auteur van het onderzoek. “Een filter kunnen vergroten, via een eenvoudig coatingproces, om het effectief te maken tegen deze emissies is een belangrijke ontwikkeling.”

De onderzoekers melden dat een polyester textiel gecoat met een titaniumcarbide MXene ongeveer 90% filtratie -efficiëntie kan bereiken voor deeltjes zo klein als 15-30 nanometer – de grootte van virussen en de beste stofdeeltjes – het betekent dat het effectief zou kunnen zijn als een augmentatieproces voor luchtfilters die zich bevinden in stedelijke of industriële omgevingen.

Mxenes, een familie van nanomaterialen ontdekt door Drexel -onderzoekers in 2011hebben eerder de vaardigheid aangetoond in filtratietoepassingen, waaronder waterbehandeling, nierdialyseen waterstofvangst. De materialen hebben ook aangetoond dat ze dat kunnen Verbeter filters die virussen in de lucht verwijderen in medische omgevingen.

“Met een toenemend productievolume en dalende prijs vinden MXenes een toenemend aantal toepassingen,” zei Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach Professor aan het College of Engineering, die de ontwikkeling van het materiaal leidde en het was onder de onderzoekers die MXenes ontdekten en Mxene, een bedrijf opgericht, een bedrijf die nu produceert. “Vooral op de velden die grote hoeveelheden materiaal vereisen.”

De nieuwste ontdekking is een belangrijke stap in de verkenning van de nanomaterialen omdat het hun vermogen toont om te kampen met enkele van de kleinste deeltjes in de lucht en dat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in een filterproductieproces.

“Ons voortdurende onderzoek blijft het potentieel van Mxene -coatings onthullen,” zei Gogotsi. “Het feit dat dit zeer geleidende nanomateriaal ook hydrofiel is, betekent dat het in water kan worden verspreid om een ​​coating te produceren die gemakkelijk kan worden toegepast op vrijwel elk substraat, inclusief luchtfilters. We krabben net het oppervlak van de mogelijkheden.”

Tijdens het testen van de met MXene gecoate filters deed het team een ​​extra ontdekking, dat het voorbehandelen van de filters met magnesiumzout het Mxene-coatingproces hielp en de prestaties van het filter met 25% verbeterden-om een ​​maximale efficiëntie van ongeveer 90% te bereiken voor virus-formaat nanodeeltjes, die veel gemeenschappelijke filters niet aantasten.

De toevoeging van alkalische aardmetaalionen, zoals magnesium, verbeterde het MXene -coatingproces. Volgens de onderzoekers activeert dit soort chemische voorbereiding het oppervlak van de mxene verder, dat het materiaal helpt zich uniform over het filter te verspreiden, waardoor een dikkere coating en meer complexe kanalen door het materiaal worden gecreëerd, die allemaal bijdragen aan een betere filtratiemogelijkheden.

De onderzoekers testten onbehandelde, met mxene gecoate en met mxene gecoate en met magnesium ion behandelde filters in een vacuüm-doorzettingskamer die aerosoliseerd natriumchloride (gesteentezout) bevatte en gemeten verwijdering van deeltjes variërend van 5,6 tot 560 nanometers. De filters die met MXene waren gecoat en met magnesium-ion behandeld presteerden aanzienlijk beter dan de andere twee bij het vastleggen van deeltjes van alle groottes in het bereik, tot 15 nanometer.

Naast hun vermogen om de filtratie te verbeteren, zijn MXenen ook zeer geleidend – een eigenschap die de onderzoekers theoretiseerden kan worden gebruikt om de filters in staat te stellen zichzelf schoon te maken. Ze testten het idee door een elektrische stroom aan te brengen op het met MXene gecoate filter, dat zijn temperatuur verhoogde tot 100 graden Celsius-genoeg om zorgvuldig sommige deeltjes en puin op het filter te verbranden en de oorspronkelijke filtratiekwaliteit te herstellen.

“Dit soort studies zijn bemoedigend voor de echte toepassing van MXenes in luchtfiltratie,” zei Prastuti Upadhyay, een student Materials Science and Engineering student aan het College of Engineering, die werd begeleid door Drexel Postdoctoral onderzoeker Stefano Ippolito, Ph.D., en de hoofdauteur van het papier was. “Maar er moet worden opgemerkt dat onze luchtfilters nog steeds kunnen worden verbeterd door zich te concentreren op het optimaliseren van de MXene -structuur, voorbehandelingsionen en het filtersubstraat. Dit laat ruimte voor veel opwindende mogelijkheden voor deze lijn van onderzoek.”