Figure 1. Micrographie électronique à transmission d'une zéolite enveloppée de graphène. Crédit :Les Auteurs
Les effets du réchauffement climatique s'aggravent et il existe une forte demande d'avancées technologiques pour réduire les émissions de dioxyde de carbone. L'hydrogène est une énergie propre idéale qui produit de l'eau lorsqu'il est brûlé. Pour promouvoir l'utilisation de l'hydrogène énergie, il est essentiel de développer des technologies sûres et économes en énergie pour la production et le stockage de l'hydrogène. Actuellement, l'hydrogène est fabriqué à partir de gaz naturel, il n'est donc pas approprié pour la décarbonisation. Utiliser beaucoup d'énergie pour séparer l'hydrogène ne le qualifierait pas d'énergie propre.
Les membranes de séparation en polymère ont le grand avantage d'agrandir la membrane de séparation et d'augmenter le coefficient de séparation. Cependant, la vitesse de perméation à travers la membrane est extrêmement faible et une pression élevée doit être appliquée pour augmenter la vitesse de perméation. Par conséquent, une grande quantité d'énergie est nécessaire pour la séparation à l'aide d'une membrane de séparation en polymère. L'objectif est de créer un nouveau type de technologie de membrane de séparation capable d'atteindre des vitesses de séparation 50 fois plus rapides que celles des membranes de séparation conventionnelles.
La membrane de tamisage moléculaire enveloppée de graphène préparée dans cette étude a un facteur de séparation de 245 et un coefficient de perméation de 5,8 x 10 6 barrers, ce qui est plus de 100 fois supérieur à celui des membranes de séparation polymères conventionnelles. Si la taille de la membrane de séparation est augmentée à l'avenir, il est très probable qu'un processus de séparation économe en énergie sera mis en place pour la séparation des gaz importants tels que le dioxyde de carbone et l'oxygène ainsi que l'hydrogène.
Comme le montre l'image au microscope électronique à transmission de la figure 1, le graphène est enroulé autour du cristal de zéolite de type MFI, étant hydrophobe. L'emballage utilise les principes de la science colloïdale pour maintenir les plans cristallins de graphène et de zéolite proches les uns des autres en raison de la réduction de l'interaction répulsive. Environ cinq couches de graphène renferment des cristaux de zéolite dans cette figure. Autour de la flèche rouge, il y a un espace d'interface étroit où seul l'hydrogène peut pénétrer. Le graphène est également présent sur la zéolite hydrophobe, de sorte que la structure du cristal de zéolite ne peut pas être vue avec cela. Puisqu'une forte force d'attraction agit entre le graphène, les cristaux de zéolithe enveloppés de graphène sont en contact étroit les uns avec les autres par un simple traitement de compression et ne laissent passer aucun gaz.
La figure 2 montre un modèle dans lequel des cristaux de zéolite enveloppés de graphène sont en contact les uns avec les autres. La surface du cristal de zéolite présente des rainures dérivées de la structure, et il existe un canal interfacial entre la zéolite et le graphène à travers lequel les molécules d'hydrogène peuvent s'infiltrer de manière sélective. Le modèle dans lequel les cercles noirs sont connectés est le graphène, et il y a des nano-fenêtres représentées par des blancs à certains endroits. N'importe quel gaz peut librement pénétrer dans les nanofenêtres, mais les canaux très étroits entre les faces cristallines du graphène et de la zéolithe permettent à l'hydrogène de pénétrer préférentiellement. Cette structure permet une séparation efficace de l'hydrogène et du méthane. D'autre part, le mouvement de l'hydrogène est rapide car il existe de nombreux vides entre les particules de zéolite enveloppées de graphène. Pour cette raison, une perméation ultra-rapide est possible tout en maintenant le facteur de séparation élevé de 200 ou plus.
Figure 2. La connexion du cercle noir est un modèle de graphène à une couche et la fenêtre nano est affichée en blanc. L'hydrogène rouge imprègne l'espace entre le graphène et la surface du cristal de zéolite. D'autre part, un grand CH4 les molécules sont difficiles à imprégner. Crédit :Les Auteurs
La figure 3 compare le facteur de séparation de l'hydrogène et le coefficient de perméation des gaz pour le méthane avec les membranes de séparation rapportées précédemment. Cette membrane de séparation sépare l'hydrogène à une vitesse d'environ 100 fois tout en maintenant un coefficient de séparation plus élevé que les membranes de séparation conventionnelles. Plus loin dans le sens de la flèche, meilleures sont les performances. Cette nouvelle membrane de séparation a ouvert la voie pour la première fois aux technologies de séparation économes en énergie.
Figure 3. Le point de mesure de cette membrane de séparation se trouve dans la ligne pointillée rouge. Crédit :Les Auteurs
De plus, ce principe de séparation est différent du mécanisme de dissolution classique avec des polymères et du mécanisme de séparation avec la taille des pores dans les membranes de séparation à base de zéolithe, et il dépend de la cible de séparation en sélectionnant la structure de surface de la zéolithe ou d'un autre cristal. La séparation à grande vitesse pour n'importe quel gaz cible est en principe possible. Pour cette raison, si le procédé de fabrication industrielle de cette membrane de séparation et de la membrane de séparation devient évolutif, l'industrie chimique, l'industrie de la combustion et d'autres industries peuvent bénéficier d'une consommation d'énergie considérablement améliorée, entraînant une réduction significative des émissions de dioxyde de carbone. Actuellement, le groupe mène des recherches en vue de l'établissement d'une technologie de base pour produire rapidement une grande quantité d'oxygène enrichi à partir de l'air. Le développement des technologies de fabrication d'oxygène enrichi va révolutionner l'industrie sidérurgique et chimique et même la médecine.
La recherche a été publiée dans Science Advances . Tamisage de précision des gaz à travers les pores atomiques du graphène
