La couche, structure poreuse du MXene, combinés à sa composition chimique permettent ses capacités exceptionnelles de séparation des gaz. Crédit :Université Drexel
L'hydrogène est l'un des éléments les plus abondants sur Terre et une source de carburant exceptionnellement propre. Alors qu'il pénètre dans les piles à combustible des voitures électriques, autobus et équipements lourds, son utilisation généralisée est entravée par le processus coûteux de séparation des gaz requis pour produire de l'hydrogène pur. Mais ce processus pourrait bientôt devenir plus efficace et rentable grâce à une découverte par une équipe internationale de chercheurs, dirigé aux États-Unis par l'Université Drexel. Le groupe a découvert des propriétés de séparation de gaz exceptionnellement efficaces dans un nanomatériau appelé MXene qui pourrait être incorporé dans les membranes utilisées pour purifier l'hydrogène.
Alors que l'hydrogène est présent dans une grande variété de molécules et de matériaux dans la nature - l'eau, une combinaison d'hydrogène et d'oxygène, le premier d'entre eux - il n'existe pas naturellement sous sa forme élémentaire pure - c'est-à-dire l'hydrogène seul, sur Terre. Séparer l'hydrogène des autres éléments auxquels il se lie habituellement, cela nécessite l'introduction d'un courant électrique pour exciter et séparer les atomes dans les molécules d'eau, ou filtrer un mélange gazeux contenant de l'hydrogène, à travers une membrane pour séparer l'hydrogène du dioxyde de carbone ou des hydrocarbures.
Le processus de séparation des gaz par membrane est l'option la plus efficace et la plus abordable, Ainsi, ces dernières années, les chercheurs ont intensifié leurs efforts pour développer des membranes capables de filtrer complètement et rapidement l'hydrogène.
Une étude récemment publiée dans la revue Communication Nature , indique que l'utilisation du matériau MXene dans les membranes de séparation de gaz pourrait être le moyen le plus efficace de purifier l'hydrogène gazeux. La recherche, dirigé par Haihui Wang, Doctorat, un professeur de l'Université de technologie de Chine du Sud et Yury Gogotsi, Doctorat, Distingué Université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, au Département de science et génie des matériaux, montre que la structure bidimensionnelle du nanomatériau lui permet de rejeter sélectivement les grosses molécules de gaz, tout en laissant l'hydrogène glisser entre les couches.
"Dans ce rapport, nous montrons comment les nanofeuilles de MXene bidimensionnelles exfoliées peuvent être utilisées comme éléments constitutifs pour construire pour la première fois des membranes stratifiées pour la séparation des gaz, " a déclaré Gogotsi. "Nous l'avons démontré en utilisant des systèmes modèles d'hydrogène et de dioxyde de carbone."
La composition chimique du MXene et sa structure créent des canaux qui peuvent piéger les molécules de gaz, ce qui en fait un matériau utile pour la séparation des gaz. Crédit :Université Drexel
Travaillant en collaboration avec des chercheurs de l'Université de technologie de Chine du Sud et de l'Université de Jilin, en Chine, et Université Leibniz de Hanovre, en Allemagne, l'équipe Drexel a signalé que les membranes créées à l'aide de nanofeuillets MXene surpassent les matériaux membranaires haut de gamme actuellement utilisés - à la fois en perméabilité et en sélectivité.
De nombreux types de membranes sont actuellement utilisés dans l'industrie de l'énergie, par exemple pour purifier l'eau de refroidissement avant sa sortie, et pour le raffinage du gaz naturel avant sa distribution pour utilisation. Les installations de séparation des gaz les utilisent également pour récupérer l'azote et l'oxygène de l'atmosphère. Cette étude ouvre la porte à une utilisation élargie de la technologie membranaire, avec la possibilité d'adapter les dispositifs de filtration pour tamiser un grand nombre de molécules gazeuses.
L'avantage de MXene par rapport aux matériaux actuellement utilisés et développés pour la séparation des gaz est que sa perméabilité et sa sélectivité de filtration sont liées à sa structure et à sa composition chimique. Par contre, autres matériaux membranaires, comme le graphène et la zéolite, ne font leur filtrage qu'en piégeant physiquement - ou tamisant - les molécules dans de minuscules grilles et canaux, comme un filet.
Les propriétés de filtration spéciales de MXenes existent car elles sont créées en décapant chimiquement des couches d'un morceau de matériau solide, appelée phase MAX. Ce processus forme une structure qui ressemble plus à une éponge, avec des pores fendus de différentes tailles. Groupe de recherche sur les nanomatériaux de Gogotsi, qui travaille avec MXenes depuis 2011, peut prédéterminer la taille des canaux en utilisant différents types de phases MAX et en les gravant avec différents produits chimiques.
Les canaux eux-mêmes peuvent être créés d'une manière qui les rend chimiquement actifs, ils sont donc capables d'attirer - ou d'adsorber - certaines molécules lors de leur passage. Ainsi, une membrane MXene fonctionne davantage comme un réseau magnétique et peut être conçue pour piéger une grande variété d'espèces chimiques lors de leur passage.
Les chercheurs de Drexel ont développé MXene en 2011 et l'ont exploré pour un certain nombre d'utilisations, y compris la filtration du gaz et de l'eau, stockage d'énergie et protection contre les interférences électromagnétiques. Crédit :Université Drexel
"C'est l'un des principaux avantages de MXenes, " a déclaré Gogotsi. "Nous avons des dizaines de MXenes disponibles qui peuvent être réglés pour fournir une sélectivité à différents gaz. Nous avons utilisé du carbure de titane MXene dans cette étude, mais il y a au moins deux douzaines d'autres MXenes déjà disponibles, et d'autres devraient être étudiés au cours des deux prochaines années - ce qui signifie qu'il pourrait être développé pour un certain nombre d'applications différentes de séparation de gaz."
Le matériau bidimensionnel polyvalent, découvert à Drexel en 2011, has already shown its ability to improve efficiency of electric storage devices, stave off electromagnetic interference and even purify water. 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, " he said. "However, 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.
