O hidrogênio é um dos elementos mais abundantes na Terra e uma fonte de combustível excepcionalmente limpa. Enquanto entra nas células de combustível dos carros elétricos, ônibus e equipamentos pesados, seu uso difundido é dificultado pelo caro processo de separação de gás necessário para produzir hidrogênio puro. Mas esse processo pode em breve se tornar mais eficiente e econômico, graças a uma descoberta por uma equipe internacional de pesquisadores, liderado nos EUA pela Drexel University. O grupo descobriu propriedades de separação de gás excepcionalmente eficientes em um nanomaterial chamado MXene, que pode ser incorporado às membranas usadas para purificar o hidrogênio.

Embora o hidrogênio esteja presente em uma ampla variedade de moléculas e materiais na natureza - água, uma combinação de hidrogênio e oxigênio, o mais importante entre eles - não existe naturalmente em sua forma elementar pura - isto é, hidrogênio por conta própria, na terra. Para separar o hidrogênio dos outros elementos aos quais ele comumente se liga, requer a introdução de uma corrente elétrica para excitar e separar os átomos nas moléculas de água, ou filtrar uma mistura gasosa contendo hidrogênio, através de uma membrana para separar o hidrogênio do dióxido de carbono ou hidrocarbonetos.

O processo de separação de gases via membrana é a opção mais eficaz e acessível, portanto, nos últimos anos, os pesquisadores têm intensificado os esforços para desenvolver membranas que possam filtrar o hidrogênio de forma completa e rápida.

Um estudo publicado recentemente na revista Nature Communications , indica que o uso de material MXene em membranas de separação de gás pode ser a maneira mais eficiente de purificar o gás hidrogênio. A pesquisa, liderado por Haihui Wang, PhD, um professor da South China University of Technology e Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering, no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, mostra que a estrutura bidimensional do nanomaterial permite que ele rejeite seletivamente grandes moléculas de gás, enquanto deixa o hidrogênio deslizar entre as camadas.

"Neste relatório, mostramos como as nanofolhas MXene bidimensionais esfoliadas podem ser usadas como blocos de construção para construir membranas laminadas para separação de gás pela primeira vez, "Gogotsi disse." Nós demonstramos isso usando sistemas modelo de hidrogênio e dióxido de carbono. "

Trabalhando em colaboração com pesquisadores da South China University of Technology e da Jilin University, na China, e a Leibniz University of Hannover, Na Alemanha, a equipe da Drexel relatou que as membranas criadas usando nanofolhas MXene superam os materiais de membrana topo de linha atualmente em uso - tanto em permeabilidade quanto em seletividade.

Muitos tipos diferentes de membranas estão atualmente em uso em toda a indústria de energia, por exemplo, para purificar a água de refrigeração antes de ser liberada, e para refinar o gás natural antes de ser distribuído para uso. As instalações de separação de gás também os utilizam para recuperar nitrogênio e oxigênio da atmosfera. Este estudo abre a porta para um uso expandido da tecnologia de membrana, com a possibilidade de adaptar os dispositivos de filtração para peneirar um grande número de moléculas gasosas.

A vantagem do MXene sobre os materiais atualmente usados ​​e desenvolvidos para separação de gases é que sua permeabilidade e seletividade de filtração estão ligadas à sua estrutura e composição química. Por contraste, outros materiais de membrana, como grafeno e zeólito, fazem sua filtragem apenas prendendo fisicamente - ou peneirando - moléculas em pequenas grades e canais, como uma rede.

As propriedades especiais de filtração do MXenes existem porque são criadas por decapagem química das camadas de um pedaço sólido de material, chamada de fase MAX. Este processo forma uma estrutura que é mais como uma esponja, com fenda de poros de vários tamanhos. Grupo de Pesquisa em Nanomateriais de Gogotsi, que trabalha com MXenes desde 2011, pode predeterminar o tamanho dos canais usando diferentes tipos de fases MAX e gravando-os com diferentes produtos químicos.

Os próprios canais podem ser criados de uma forma que os torna quimicamente ativos, portanto, eles são capazes de atrair - ou adsorver - certas moléculas à medida que elas passam. Assim, uma membrana MXene funciona mais como uma rede magnética e pode ser projetada para capturar uma ampla variedade de espécies químicas conforme elas passam.

"Esta é uma das principais vantagens do MXenes, "Gogotsi disse." Temos dezenas de MXenes disponíveis que podem ser ajustados para fornecer seletividade a diferentes gases. Usamos carboneto de titânio MXene neste estudo, mas existem pelo menos duas dúzias de outros MXenes já disponíveis, e espera-se que mais estudos sejam estudados nos próximos dois anos - o que significa que pode ser desenvolvido para uma série de aplicações diferentes de separação de gás. "

O material bidimensional versátil, which was discovered at Drexel in 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.