Membranas de zeolita envueltas en grafeno para una separación rápida de hidrógeno

Figura 1. Micrografía electrónica de transmisión de zeolita envuelta en grafeno. Crédito:Los autores

Los efectos del calentamiento global son cada vez más graves y existe una fuerte demanda de avances tecnológicos para reducir las emisiones de dióxido de carbono. El hidrógeno es una energía limpia ideal que produce agua cuando se quema. Para promover el uso de la energía del hidrógeno, es esencial desarrollar tecnologías seguras que ahorren energía para la producción y el almacenamiento de hidrógeno. Actualmente, el hidrógeno se fabrica a partir de gas natural, por lo que no es apropiado para la descarbonización. Usar mucha energía para separar el hidrógeno no lo calificaría como energía limpia.

Las membranas de separación de polímeros tienen la gran ventaja de agrandar la membrana de separación y aumentar el coeficiente de separación. Sin embargo, la velocidad de permeación a través de la membrana es extremadamente baja y se debe aplicar una alta presión para aumentar la velocidad de permeación. Por lo tanto, se requiere una gran cantidad de energía para la separación utilizando una membrana de separación de polímeros. El objetivo es crear un nuevo tipo de tecnología de membrana de separación que pueda lograr velocidades de separación 50 veces más rápidas que las de las membranas de separación convencionales.

La membrana de tamizado molecular envuelta en grafeno preparada en este estudio tiene un factor de separación de 245 y un coeficiente de permeación de 5,8 x 10⁶ barreras, que es más de 100 veces mejor que la de las membranas de separación de polímeros convencionales. Si se aumenta el tamaño de la membrana de separación en el futuro, es muy probable que se establezca un proceso de separación que ahorre energía para la separación de gases importantes como el dióxido de carbono, el oxígeno y el hidrógeno.

Como se ve en la imagen del microscopio electrónico de transmisión en la Figura 1, el grafeno se envuelve alrededor del cristal de zeolita tipo MFI, siendo hidrofóbico. El envoltorio utiliza los principios de la ciencia coloidal para mantener los planos de cristal de grafeno y zeolita cerca uno del otro debido a la reducción de la interacción repulsiva. Alrededor de cinco capas de grafeno encierran cristales de zeolita en esta figura. Alrededor de la flecha roja, hay un estrecho espacio de interfaz donde solo el hidrógeno puede penetrar. El grafeno también está presente en la zeolita hidrófoba, por lo que no se puede ver la estructura del cristal de zeolita. Dado que una fuerte fuerza de atracción actúa entre el grafeno, los cristales de zeolita envueltos con grafeno están en estrecho contacto entre sí mediante un tratamiento de compresión simple y no dejan pasar ningún gas.

La figura 2 muestra un modelo en el que los cristales de zeolita envueltos con grafeno están en contacto entre sí. La superficie del cristal de zeolita tiene ranuras derivadas de la estructura y hay un canal interfacial entre la zeolita y el grafeno a través del cual las moléculas de hidrógeno pueden penetrar selectivamente. El modelo en el que se conectan los círculos negros es el grafeno, y hay nanoventanas representadas por espacios en blanco en algunos lugares. Cualquier gas puede penetrar libremente en las nanoventanas, pero los canales muy estrechos entre las caras del cristal de grafeno y zeolita permiten que el hidrógeno penetre preferentemente. Esta estructura permite una separación eficiente de hidrógeno y metano. Por otro lado, el movimiento del hidrógeno es rápido porque hay muchos vacíos entre las partículas de zeolita envueltas en grafeno. Por esta razón, es posible la penetración a ultra alta velocidad mientras se mantiene el alto factor de separación de 200 o más.

Figura 2. La conexión del círculo negro es un modelo de grafeno de una capa y la ventana nano se muestra en blanco. El hidrógeno rojo impregna el espacio entre el grafeno y la superficie del cristal de zeolita. Por otro lado, los grandes CH₄ Las moléculas son difíciles de permear. Crédito:Los autores

La Figura 3 compara el factor de separación de hidrógeno y el coeficiente de permeación de gas para el metano con las membranas de separación informadas anteriormente. Esta membrana de separación separa el hidrógeno a una velocidad de aproximadamente 100 veces mientras mantiene un coeficiente de separación más alto que las membranas de separación convencionales. Cuanto más lejos en la dirección de la flecha, mejor será el rendimiento. Esta membrana de separación recientemente desarrollada ha allanado el camino para las tecnologías de separación que ahorran energía por primera vez.

Figura 3. El punto de medición de esta membrana de separación está dentro de la línea de puntos roja. Crédito:Los autores

Además, este principio de separación es diferente del mecanismo de disolución convencional con polímeros y el mecanismo de separación con tamaño de poro en las membranas de separación de zeolita, y depende del objetivo de separación seleccionando la estructura superficial de la zeolita u otro cristal. En principio, es posible la separación de alta velocidad para cualquier gas objetivo. Por esta razón, si el método de fabricación industrial de esta membrana de separación y la membrana de separación se vuelve escalable, la industria química, la industria de combustión y otras industrias pueden disfrutar de un consumo de energía significativamente mejorado, lo que lleva a una reducción significativa de las emisiones de dióxido de carbono. Actualmente, el grupo está realizando investigaciones para establecer una tecnología básica para producir rápidamente una gran cantidad de oxígeno enriquecido a partir del aire. El desarrollo de tecnologías de fabricación de oxígeno enriquecido revolucionará la industria siderúrgica y química e incluso la medicina.

La investigación fue publicada en Science Advances . + Explora más