Графен как фильтр: через него можно «просеивать» газы
Новая разработка позволит фильтровать воздух, извлекая из него углекислый газ.
Известен принцип, на который опираются промышленные технологии разделения газов: если размер пор в мембране сопоставим с размером атомов и молекул, они могут либо проходить через мембрану, либо отторгаться. Для этого часто используют полимерные мембраны с различной пористостью. Чем мельче размер пор, тем меньший поток газа пропускают такие сита. В отличие от обычных мембран, атомарно тонкие мембраны (толщиной как графен) должны обеспечивать более легкий поток газа при той же селективности.
Что сделали учёные? Исследовательская группа Манчестерского университета под руководством лауреата Нобелевской премии Андрея Гейма (премия получена в 2010 году за получение графена) использовала низкоэнергетические электроны для проделывания отверстий атомного масштаба в графене. Размеры отверстий достигали примерно двух ангстрем, что меньше даже самых маленьких атомов — например, гелия и водорода.
Исследователи сообщают, что им удалось добиться практически идеальной селективности (более 99,9%) для гелия и водорода по отношению к азоту, метану или ксенону. Кроме того, молекулы воздуха (а именно, основных составляющих — кислорода и азота) легко проходят через поры по сравнению с углекислым газом, который задерживается на>95%. Ученые отмечают, что для практического применения двумерных мембран необходимо найти атомарно тонкие материалы с внутренними порами, то есть порами внутри самой кристаллической решетки. Концептуально же такие сита не отличаются от сит для муки или песка.
Чтобы сделать технологию промышленно применимой, необходимы мембраны с плотно расположенными порами, а не полученные на текущий момент отдельные отверстия. Исследовательская группа планирует найти подходящие двумерные материалы с крупными внутренними порами, чтобы выбрать наиболее перспективные из них для будущих технологий газоразделения.
Такие материалы уже существуют. Например, одна из аллотропных модификаций углерода — графин — в целом подходит, и имеет более крупные углеродные кольца, похожие по размеру на отдельные дефекты. Правильный размер этих пор может сделать графин идеально подходящим для разделения газов.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.