Las capas estructura porosa de MXene, combinado con su composición química permite sus excepcionales capacidades de separación de gases. Crédito:Universidad de Drexel
El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y una fuente de combustible excepcionalmente limpia. Mientras se abre paso en las pilas de combustible de los coches eléctricos, autobuses y equipo pesado, su uso generalizado se ve obstaculizado por el costoso proceso de separación de gases necesario para producir hidrógeno puro. Pero ese proceso pronto podría volverse más eficiente y rentable gracias a un descubrimiento de un equipo internacional de investigadores, liderado en los EE. UU. por la Universidad de Drexel. El grupo ha descubierto propiedades de separación de gases excepcionalmente eficientes en un nanomaterial llamado MXene que podría incorporarse a las membranas utilizadas para purificar el hidrógeno.
Si bien el hidrógeno está presente en una amplia variedad de moléculas y materiales en la naturaleza:agua, una combinación de hidrógeno y oxígeno, entre ellos, no existe naturalmente en su forma elemental pura, es decir, hidrógeno por sí solo, en la tierra. Para separar el hidrógeno de los otros elementos a los que comúnmente se une, requiere la introducción de una corriente eléctrica para excitar y dividir los átomos en las moléculas de agua, o filtrar una mezcla gaseosa que contiene hidrógeno, a través de una membrana para separar el hidrógeno del dióxido de carbono o los hidrocarburos.
El proceso de separación de gases a través de membrana es la opción más eficaz y asequible. por eso, en los últimos años, los investigadores han intensificado sus esfuerzos para desarrollar membranas que puedan filtrar el hidrógeno de manera completa y rápida.
Un estudio publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , indica que el uso de material MXene en membranas de separación de gases podría ser la forma más eficiente de purificar el gas hidrógeno. La investigación, dirigido por Haihui Wang, Doctor, profesor de la Universidad de Tecnología del Sur de China y Yury Gogotsi, Doctor, Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, muestra que la estructura bidimensional del nanomaterial le permite rechazar selectivamente moléculas de gas grandes, mientras deja que el hidrógeno se deslice entre las capas.
"En este informe mostramos cómo las nanohojas MXene bidimensionales exfoliadas se pueden utilizar como bloques de construcción para construir membranas laminadas para la separación de gases por primera vez, ", Dijo Gogotsi." Demostramos esto usando sistemas modelo de hidrógeno y dióxido de carbono ".
La composición química de MXene y su estructura crean canales que pueden atrapar moléculas de gas, lo que lo convierte en un material útil para la separación de gases. Crédito:Universidad de Drexel
Trabajando en colaboración con investigadores de la Universidad de Tecnología del Sur de China y la Universidad de Jilin, en China, y la Universidad Leibniz de Hannover, en Alemania, El equipo de Drexel informó que las membranas creadas con nanohojas MXene superan a los materiales de membrana de primera línea actualmente en uso, tanto en permeabilidad como en selectividad.
Actualmente se utilizan muchos tipos diferentes de membranas en la industria energética, por ejemplo, para purificar el agua refrigerante antes de que se libere, y para refinar el gas natural antes de distribuirlo para su uso. Las instalaciones de separación de gases también las utilizan para recuperar nitrógeno y oxígeno de la atmósfera. Este estudio abre la puerta a un uso ampliado de la tecnología de membranas, con la posibilidad de adaptar los dispositivos de filtración para tamizar una gran cantidad de moléculas gaseosas.
La ventaja de MXene sobre los materiales que se utilizan y desarrollan actualmente para la separación de gases es que tanto su permeabilidad como su selectividad de filtración están ligadas a su estructura y composición química. Por el contrario, otros materiales de membrana, como el grafeno y la zeolita, hacen su filtrado solo atrapando físicamente, o tamizando, moléculas en pequeñas rejillas y canales, como una red.
Existen propiedades de filtración especiales de los MXenes porque se crean grabando químicamente capas de una pieza sólida de material, llamada fase MAX. Este proceso forma una estructura que se parece más a una esponja, con poros de hendidura de varios tamaños. Grupo de Investigación de Nanomateriales de Gogotsi, que trabaja con MXenes desde 2011, puede predeterminar el tamaño de los canales utilizando diferentes tipos de fases MAX y grabándolos con diferentes productos químicos.
Los propios canales se pueden crear de una manera que los haga químicamente activos, por lo que son capaces de atraer, o adsorber, ciertas moléculas a medida que las atraviesan. Por lo tanto, una membrana MXene funciona más como una red magnética y puede diseñarse para atrapar una amplia variedad de especies químicas a su paso.
Los investigadores de Drexel desarrollaron MXene en 2011 y lo han estado explorando para varios usos, incluida la filtración de gas y agua, almacenamiento de energía y blindaje contra interferencias electromagnéticas. Crédito:Universidad de Drexel
"Esta es una de las ventajas clave de MXenes, ", Dijo Gogotsi." Tenemos docenas de MXenes disponibles que se pueden ajustar para proporcionar selectividad a diferentes gases. Usamos carburo de titanio MXene en este estudio, pero hay al menos otras dos docenas de MXenes disponibles, y se espera que se estudien más en los próximos años, lo que significa que podría desarrollarse para diversas aplicaciones de separación de gases ".
El material bidimensional versátil, que fue descubierto en Drexel en 2011, ya ha demostrado su capacidad para mejorar la eficiencia de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, Evita las interferencias electromagnéticas e incluso purifica el agua. Studying its gas separation properties was the next logical step, according to Gogotsi.
"Our work on water filtration, the sieving of ions and molecules, and supercapacitors, which also involves ion sieving, suggested that gas molecules may also be sieved using MXene membranes with atomically thin channels between the MXene sheets, ", dijo." Sin embargo, we were lacking experience in the gas separation field. This research would not have been possible without our Chinese collaborators, who provided the experience needed to achieve the goal and demonstrated that MXene membranes can efficiently separate gas mixtures."
In order for MXene to make its way into industrial membranes, Gogotsi's group will continue to improve its durability, chemical and temperature stability and reduce the cost of production.
