Una membrana de tamiz molecular recubierta con grafeno separa el hidrógeno del metano

Una membrana de tamiz molecular recubierta con grafeno separa el hidrógeno del metano


Las consecuencias del calentamiento global son cada vez más graves y los avances tecnológicos para reducir las emisiones de carbono tienen una gran demanda. Cuando se quema hidrógeno, se forma agua, lo que la convierte en una fuente ideal de energía limpia.

Una membrana de tamiz molecular recubierta de grafeno separa eficazmente el hidrógeno del metano.
Micrografía electrónica de transmisión de zeolita recubierta de grafeno. Créditos de imagen: ©2022 Los autores, Licencia 4.0 (CC BY-NC).

Es fundamental desarrollar tecnologías de producción y almacenamiento de hidrógeno seguras y energéticamente eficientes para mejorar el uso de la energía del hidrógeno. Dado que el hidrógeno se produce actualmente a partir de gas natural, no es adecuado para la descarbonización. Separar hidrógeno con mucha energía no contaría como energía limpia. Las membranas de separación de polímeros se están investigando actualmente en todo el mundo.

Las membranas de separación de polímeros tienen la ventaja de aumentar el coeficiente de separación y ampliar la membrana de separación. Sin embargo, la tasa de penetración a través de la membrana es extremadamente lenta, lo que requiere la aplicación de alta presión para acelerar el proceso. En consecuencia, el uso de una membrana de separación de polímeros requiere una cantidad significativa de energía.

El objetivo es desarrollar un nuevo tipo de tecnología de membrana de separación que pueda lograr velocidades de separación 50 veces más rápidas que las membranas de separación existentes.

La membrana de tamiz molecular recubierta de grafeno desarrollada tiene un factor de separación de 245 y un coeficiente de permeación de 5,8 × 106 barreras, que es más de 100 veces superior a las tradicionales membranas de separación de polímeros. Si la membrana de separación se amplía en el futuro, es muy probable que se desarrolle un proceso de separación que ahorre energía para gases importantes como el dióxido de carbono, el oxígeno y el hidrógeno.

El grafeno hidrofóbico está cubierto alrededor del cristal de zeolita tipo MFI. Debido a la interacción repulsiva reducida, el revestimiento utiliza principios científicos coloidales para mantener juntos los planos cristalinos de grafeno y zeolita. Los cristales de zeolita están rodeados por unas cinco capas de grafeno. Solo el hidrógeno puede pasar a través del estrecho espacio interfacial.

La estructura del cristal de zeolita no se puede ver ya que el grafeno también está presente en la zeolita hidrofóbica. Dado que el grafeno tiene una fuerte atracción, un simple tratamiento de compresión hace que los cristales de zeolita recubiertos de grafeno entren en estrecho contacto entre sí, evitando que el gas penetre.

La superficie del cristal de zeolita tiene surcos de la estructura, y hay un canal de interfaz entre el grafeno y la zeolita para que las moléculas de hidrógeno pasen selectivamente. El modelo gráfico se usa para conectar los círculos negros y hay nanoventanas en algunos lugares. Cualquier gas puede pasar libremente a través de las nanoventanas, pero debido a los canales extremadamente estrechos entre las caras del cristal de grafeno y zeolita, el hidrógeno puede filtrarse preferentemente.

Esta estructura permite una separación eficiente de hidrógeno y metano. El movimiento del hidrógeno, por otro lado, es acelerado por las numerosas cavidades entre las partículas de zeolita recubiertas de grafeno. Como resultado, se puede lograr una tasa de penetración ultra alta mientras se mantiene un factor de separación de 200 o superior.

El diagrama de Robeson 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 unas 100 veces más rápido que las membranas de separación convencionales mientras mantiene un coeficiente de separación más alto. La membrana de separación de nuevo diseño marca el rumbo de las tecnologías de separación que ahorran energía por primera vez.

Además, este principio de separación es diferente de la resolución de polímero tradicional y la separación del tamaño de poro en las membranas de separación de zeolita, y depende del objetivo de separación mediante la identificación de la estructura superficial de la zeolita u otro cristal. En teoría, la separación a alta velocidad es posible para cualquier gas objetivo.

Si el proceso de producción industrial de la membrana de separación y la membrana de separación se vuelven factibles, el consumo de energía de la industria química, de combustión y otras industrias puede reducirse en gran medida, lo que resulta en una reducción significativa de las emisiones de dióxido de carbono.

Los investigadores están trabajando actualmente en el desarrollo de una tecnología básica para producir rápidamente grandes cantidades de oxígeno enriquecido del aire. La tecnología de producción de oxígeno enriquecido revolucionará las industrias del acero, química y médica.

El Proyecto CREST «Creación de Materiales Funcionales Innovadores con Propiedades Avanzadas por Diseño Hiper-Nanoespacial», el Proyecto JST-OPERA (JPMJOP1722), el Programa de Estudio de Viabilidad NEDO y TAKAGI Co., Ltd. todos apoyaron la investigación.

Referencia de la revista:

Kukobat, R., y otros. (2022) Membranas de tamiz molecular de zeolita envueltas en grafeno canalizadas 2D ultrapermeables para la separación de hidrógeno. avances científicos. doi.org/10.1126/sciadv.abl3521.

Fuente: https://www.shinshu-u.ac.jp/english/

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