Schaalbare grafeenmembranen kunnen koolstofafvang overbaden

Koolstofdioxide vastleggen (CO₂) van industriële emissies is cruciaal in de strijd tegen klimaatverandering. Maar de huidige methoden, zoals chemische absorptie, zijn duur en energie-intensief. Wetenschappers hebben grafeen met een lange ogen-een atoomdunne, ultrasterk materiaal-als een veelbelovend alternatief voor gasscheiding, maar het maken van grote, efficiënte grafeenmembranen is een uitdaging geweest.

Nu heeft een team van EPFL, geleid door professor Kumar Agrawal, een schaalbare techniek ontwikkeld om poreuze grafeenmembranen te creëren die Selectief CO filteren₂ van gasmengsels. Hun aanpak daalt de productiekosten en verbetert de membraankwaliteit en prestaties, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor real-world toepassingen in koolstofafvang en verder.

De studie is geweest gepubliceerd in Nature Chemical Engineering.

Grafeenmembranen zijn uitstekend in het scheiden van gassen omdat ze kunnen worden ontworpen met poriën die precies de juiste maat hebben om CO te laten₂ door tijdens het blokkeren van grotere moleculen zoals stikstof. Dit maakt hen ideaal voor het vastleggen van CO₂ emissies van energiecentrales en industriële processen. Maar er is een vangst: het produceren van deze membranen op een zinvolle schaal is moeilijk en kostbaar geweest.

De meeste bestaande methoden zijn gebaseerd op dure koperen folies om hoogwaardig grafeen te laten groeien dat nodig is voor membranen en vereisen delicate hanteringstechnieken die vaak scheuren introduceren, waardoor de membraanefficiëntie wordt verminderd. De uitdaging was om een ​​manier te vinden om grote, hoogwaardige grafeenmembranen op een kosteneffectieve, reproduceerbare manier te maken.

Het EPFL-team heeft deze uitdagingen frontaal aangepakt. Eerst ontwikkelden ze een methode om hoogwaardig grafeen op goedkope koperen folies te laten groeien, waardoor de materiaalkosten dramatisch worden verlaagd. Vervolgens verfijnden ze een chemisch proces met behulp van ozon (O₃) om kleine poriën in het grafeen te etsen, waardoor zeer selectieve CO mogelijk is₂ filtratie.

Cruciaal is dat ze verbeterden hoe het gas interageert met het grafeen, waardoor uniforme porievorming over grote gebieden wordt gewaarborgd – een belangrijke stap in de richting van industriële schaalbaarheid.

Om de kwestie van membraan fragiliteit op te lossen, introduceerden de onderzoekers ook een nieuwe overdrachtstechniek. In plaats van de delicate grafeenfilm op een ondersteuning te drijven, die vaak tot scheuren leidt, ontwierpen ze een direct overdrachtsproces in de membraanmodule dat de behandelingsproblemen elimineert en faalpercentages verlaagt tot bijna nul.

Met behulp van hun nieuwe aanpak creëerden de onderzoekers met succes 50 cm² grafeenmembranen-vari groter dan wat voorheen haalbaar was-met bijna perfecte integriteit. De membranen demonstreerden uitzonderlijke CO₂ selectiviteit en hoog gasmeedre, wat betekent dat ze Co efficiënt laten₂ door tijdens het blokkeren van ongewenste gassen.

Bovendien konden ze, door het oxidatieproces te optimaliseren, de dichtheid van CO verhogen₂-Selectieve poriën, verder verbeteren van de prestaties. Computationele simulaties bevestigden dat het verbeteren van de gasstroom door het membraan een cruciale rol speelde bij het bereiken van deze resultaten.

Deze doorbraak kan het spel voor koolstofafvang veranderen. Traditionele CO₂ Capture-technologieën zijn afhankelijk van energie-intensieve chemische processen, waardoor ze complex en duur zijn voor wijdverbreid gebruik. Grafeenmembranen vereisen daarentegen geen warmte-invoer en werken met behulp van eenvoudige drukgestuurde filtratie, waardoor het energieverbruik aanzienlijk wordt verminderd.

Naast koolstofafvang kan deze methode worden toegepast op andere behoeften van gasscheiding, waaronder waterstofzuivering en zuurstofproductie. Met zijn schaalbare productieproces en kosteneffectieve materialen brengt EPFL’s innovatie grafeenmembranen een stap dichter bij commerciële levensvatbaarheid.