Los investigadores de Graphene Flagship superaron el rendimiento limitante teórico de las membranas en la separación de gases. Esta investigación colaborativa de los socios insignia de Graphene, CNR, La Universidad de Bolonia y Graphene-XT tienen aplicaciones potenciales en la purificación de hidrógeno y la captura y almacenamiento de carbono.

Las membranas a base de polímeros para la separación de gases tienen un compromiso entre una alta permeabilidad de los gases y una alta selectividad de los gases. el llamado límite superior de Robeson. Combinando láminas de óxido de grafeno individuales con espaciadores de polímero, en una estructura estilo sándwich, Los investigadores de Graphene Flagship han podido superar ese límite, separando el gas de forma rápida y eficiente.

Centrándose en producir un dispositivo de separación de gases útil para la captura y almacenamiento de carbono, Los investigadores diseñaron un protocolo para separar el CO2 del H2. Producción de hidrógeno, tanto de gas natural como de gasificación de combustibles líquidos o sólidos, suele ir acompañada de la formación de una cantidad significativa de CO2, que debe eliminarse antes de utilizar el gas. La separación eficiente del CO2 tiene un mayor potencial de captura de este gas de efecto invernadero.

Usando un enfoque de abajo hacia arriba, los investigadores depositaron capas alternas de óxido de grafeno y un polímero de poli (etilenimina) - PEI, utilizando un método de autoensamblaje, para hacer la membrana de separación de gases. Al usar óxido de grafeno, (un material de grafeno soluble en agua debido a su naturaleza oxidada), el equipo pudo depositar capas individuales de óxido de grafeno separadas por el PEI.

Se descubrió que la profundidad de la capa de PEI que actúa como espaciador entre las capas de óxido de grafeno es de vital importancia para garantizar un alto flujo de gas a través de la membrana. Por lo tanto, este sistema de separación contiene un material estratificado y una capa de polímero ultrafina con un espesor de aproximadamente dos nanómetros. Las láminas de óxido de grafeno obligan a las moléculas gaseosas a difundir un camino tortuoso dentro de las cadenas de PEI.

"Al cambiar de la membrana tridimensional estándar a una estructura de polímero en capas, logramos la separación de gases por encima del límite de Robeson en una membrana de solo 100 nm de espesor, "dijo el profesor Vincenzo Palermo, coordinador del equipo que realiza esta investigación y subdirector del Graphene Flagship.

En tono rimbombante, También se encontró que la permeabilidad de estas membranas a diferentes gases depende en gran medida del diámetro de las moléculas de gas. Esto le da a la membrana una selectividad única que finalmente proporciona a la técnica de separación de gases una permeabilidad sintonizable y una alta selectividad, así como el potencial para ser utilizada a gran escala. La mayor funcionalidad de las películas de PEI económicas hace que estas membranas de separación de gases sean muy atractivas para las aplicaciones.

"A través de nuestra colaboración con la Universidad de Bolonia y Graphene-XT dentro del buque insignia, hemos podido evaluar el carácter escalable de esta investigación en plantas industriales para separar gases, "dijo Palermo.

"Los autores llevan a un nuevo nivel el concepto de estructuras de compuestos bidimensionales. Se las arreglaron para producir pilas periódicas de materiales en capas y polímeros unidimensionales, en grandes áreas, utilizando fuerzas electrostáticas débiles. De esta manera, observan un proceso de permeación de gas muy diferente de lo que se observa en pilas "clásicas" de nanohojas bidimensionales, "dijo Xinliang Feng, el líder del paquete de trabajo de recubrimientos y espumas funcionales del buque insignia de grafeno, "Este trabajo demuestra el poder y la versatilidad de los enfoques químicos para construir estructuras complejas; cabe destacar, también proviene de una colaboración de los socios del Paquete de trabajo de recubrimientos y espumas funcionales con una PYME asociada que respalda nuestros proyectos punteros ".

Profesor Andrea C. Ferrari, Oficial de ciencia y tecnología de Graphene Flagship, y presidente de su panel de gestión, añadió:"Este es otro ejemplo de cómo Graphene Flagship puede combinar la vanguardia de la investigación con aplicaciones prácticas. El potencial del grafeno y los materiales relacionados en la tecnología de membranas se reconoció desde el principio, y este trabajo lo acerca un paso más a las aplicaciones generalizadas ".