Les chercheurs de Graphene Flagship ont surmonté les performances théoriques limitantes des membranes dans la séparation des gaz. Cette recherche collaborative de Graphene Flagship partners CNR, L'Université de Bologne et Graphene-XT ont des applications potentielles dans la purification de l'hydrogène et la capture et le stockage du carbone.

Les membranes à base de polymère pour la séparation des gaz présentent un compromis entre une perméabilité élevée aux gaz et une sélectivité élevée des gaz, la limite supérieure dite Robeson. En combinant des feuilles d'oxyde de graphène individuelles avec des espaceurs en polymère, dans une structure de style sandwich, Les chercheurs de Graphene Flagship ont pu surmonter cette limite, séparer le gaz rapidement et efficacement.

En se concentrant sur la production d'un dispositif de séparation de gaz utile pour la capture et le stockage du carbone, les chercheurs ont conçu un protocole pour séparer le CO2de H2. Production d'hydrogène, à la fois à partir de gaz naturel ou dans la gazéification de combustibles liquides ou solides, s'accompagne souvent de la formation d'une quantité importante de CO2, qui doit être retiré avant que le gaz ne soit utilisé. Une séparation efficace du CO2 a un plus grand potentiel de capture de ce gaz à effet de serre.

En utilisant une approche ascendante, les chercheurs ont déposé des couches alternées d'oxyde de graphène et d'un polymère poly(éthylèneimine) - PEI, en utilisant une méthode d'auto-assemblage, pour faire la membrane de séparation de gaz. En utilisant de l'oxyde de graphène, (un matériau graphène hydrosoluble en raison de sa nature oxydée), l'équipe a pu déposer des couches individuelles d'oxyde de graphène séparées par le PEI.

La profondeur de la couche PEI agissant comme un espaceur entre les couches d'oxyde de graphène s'est avérée d'une importance vitale pour garantir un flux de gaz élevé à travers la membrane. Ce système de séparation contient donc un matériau stratifié et une couche polymère ultra-mince d'une épaisseur d'environ deux nanomètres. Les feuilles d'oxyde de graphène forcent les molécules gazeuses à diffuser un chemin tortueux dans les chaînes PEI.

"En passant de la membrane tridimensionnelle standard à une structure polymère en couches, nous avons obtenu une séparation des gaz au-dessus de la limite Robeson dans une membrane de seulement 100 nm d'épaisseur, " a déclaré le professeur Vincenzo Palerme, coordinateur de l'équipe réalisant cette recherche et vice-directeur du Graphene Flagship.

Surtout, il a également été constaté que la perméabilité de ces membranes aux différents gaz dépend fortement du diamètre des molécules de gaz. Cela donne à la membrane une sélectivité unique qui fournit finalement à la technique de séparation des gaz à la fois une perméabilité réglable et une sélectivité élevée ainsi que le potentiel d'être utilisé à grande échelle. La fonctionnalité accrue des films PEI bon marché rend ces membranes de séparation de gaz très attrayantes pour les applications.

"Grâce à notre collaboration avec l'Université de Bologne et Graphene-XT au sein du Flagship, nous avons pu évaluer le caractère évolutif de cette recherche dans des installations industrielles pour séparer les gaz, ", a déclaré Palerme.

« Les auteurs portent à un nouveau niveau le concept de structures composites bidimensionnelles. Ils ont réussi à produire des empilements périodiques de matériaux stratifiés et de polymères unidimensionnels, sur de grandes surfaces, utilisant de faibles forces électrostatiques. Ils observent ainsi un processus de perméation gazeuse très différent de ce qui est observé dans les empilements "classiques" de nanofeuillets bidimensionnels, " dit Xinliang Feng, le leader du Work-Package Functional Foam and Coatings du Graphene Flagship, « Ce travail démontre la puissance et la polyvalence des approches chimiques pour construire des structures complexes; il est également issu d'une collaboration des partenaires du Work-Package Mousse Fonctionnelle et Revêtements avec une PME partenaire soutenant nos projets phares."

Professeur Andrea C. Ferrari, Officier scientifique et technologique du Graphene Flagship, et Président de son Panel de Direction, a ajouté « Ceci est un autre exemple de la façon dont le Graphene Flagship peut combiner la pointe de la recherche avec des applications pratiques. Le potentiel du graphène et des matériaux connexes dans la technologie des membranes a été reconnu dès le début, et ce travail le rapproche d'applications généralisées."