Scanning -elektronenmicroscopiebeeld van het verfrommelde grafeenoxidemembraan, met de vorming van rimpels op nanoschaal en gebogen kanalen die het gastransport verbeteren. Credit: Institute for Functional Intelligent Materials, National University of Singapore / Daria V. Andreeva.
De betrouwbare scheiding van sommige gassen van anderen kan zeer voordelig zijn voor een breed scala aan toepassingen. Het kan bijvoorbeeld helpen om waterstof te produceren (h2) voor brandstofcellen en chemische toepassingen of om het koolstofdioxide vast te leggen (CO2) uitgestoten door industriële locaties.
Veel bestaande methoden voor het scheiden van gassen zijn afhankelijk van zogenaamde membranen van gasscheiding, dunne films waarmee specifieke gassen erdoorheen kunnen gaan, terwijl anderen worden geblokkeerd. Een van de meest veelbelovende materialen voor het fabriceren van deze membranen is grafeenoxide (GO), een derivaat van grafeen dat anders reageert wanneer blootgesteld aan verschillende moleculen.
Ondanks hun potentieel voor het scheiden van gassen, lijden conventionele GO-gebaseerde gasscheidingsmembranen aan een lage permeabiliteit. Dit betekent in wezen dat hoewel ze H kunnen scheiden2 of co2gassen bewegen er te langzaam door om hen betrouwbaar te worden ingezet in real-world instellingen.
Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore hebben onlangs een nieuwe benadering geïntroduceerd voor het creëren van verfrommelde Go -membranen die zowel een hogere H vertonen2 Permeabiliteit en selectiviteit (dwz het vermogen om onderscheid te maken tussen verschillende gassen). Hun voorgestelde methode, in een paper beschreven gepubliceerd in Natuurnanotechnologiezou het echte gebruik van deze membranen kunnen vergemakkelijken om schone h te produceren2 en vangen gassen die schadelijk zijn voor het milieu.
“Dit werk is voortgekomen uit een langdurige uitdaging in de membraanwetenschap: de afweging tussen selectiviteit en permeabiliteit in membranen van gasscheiding,” vertelde Daria V. Andreeva, senior auteur van de paper, aan Tech Xplore. “Go heeft veelbelovend getoond vanwege zijn instelbare nanochannels, maar de strak gestapelde structuur beperkt de doorvoer.
“We werden geïnspireerd om te onderzoeken of de introductie van gecontroleerde mechanische vervorming, in ons geval, door stam geïnduceerde verkreuking, de interne architectuur van Go-membranen kon hervormen om dit knelpunt te overwinnen.”
Het hoofddoel van deze recente studie van Andreeva en haar collega’s was om de transportpaden van Go-membranen opnieuw te ontwerpen, die verschillende regio’s zijn in Go Doe specifieke gassen. Uiteindelijk wilden de onderzoekers zowel een hoge permeabiliteit als selectiviteit bereiken, zonder de mechanische integriteit van de membranen nadelig te beïnvloeden en de mate waarin ze op een grootschalige konden worden gefabriceerd.
“We hebben een methode ontwikkeld om Go Lamellas te verlammen door UNIAXIALE STRAIN aan te passen”, legt Andreeva uit. “Dit proces induceert gelokaliseerde rimpels en kromming over het membraan, waardoor een hiërarchisch netwerk van nanoscopische lege leegte en kronkelige paden ontstaat. Deze veranderde geometrieën maken kleine gasmoleculen zoals waterstof sneller mogelijk, terwijl het nog steeds effectief grotere soorten blokkeert.”
Het meest opvallende voordeel van de nieuw ontwikkelde aanpak van het team voor engineering verfrommelde Go -membranen is dat het een hoge moleculaire sieving -precisie mogelijk maakt, terwijl het ook de flux van het gas dat erdoorheen gaat verhogen. Dit is een aanzienlijke prestatie, omdat deze twee aspecten eerder als wederzijds exclusief werden beschouwd.
In de toekomst konden de methoden van Andreeva en haar collega’s worden gebruikt om andere op GO gebaseerde membranen te fabriceren die nog hogere permeabiliteit en selectiviteit vertonen. Ondertussen werken de onderzoekers aan het verder verbeteren van hun membraanontwerp en het afstemmen op specifieke real-world toepassingen.
“We onderzoeken nu hoe we dit verfrommeld concept kunnen integreren met stimuli-responsieve materialen om dynamisch herconfigureerbare membranen te creëren,” voegde Andreeva toe. “We zijn ook van plan om deze membranen te testen onder industrieel relevante omstandigheden en hun fabricage op te schalen met behulp van roll-to-roll processen. Parallel werken we met AI-geleide ontwerptools om andere 2D-materialen te identificeren die kunnen profiteren van vergelijkbare structurele engineering-benaderingen.”
Voor u geschreven door onze auteur Ingrid Fadellibewerkt door Lisa Locken feiten gecontroleerd en beoordeeld door Andrew Zinin– Dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals jij om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek levend te houden. Als deze rapportage voor u belangrijk is, overweeg dan een schenking (vooral maandelijks). Je krijgt een advertentievrij account als een bedankje.
Meer informatie:
Pengxiang Zhang et al, door stam geïnduceerde crrumpling van grafeenoxidelamellen om een snel en selectief transport van H te bereiken2 en CO2,, Natuurnanotechnologie (2025). Doi: 10.1038/s41565-025-01971-8
Dagboekinformatie:
Natuurnanotechnologie