Os efeitos do aquecimento global são cada vez mais graves, e há uma forte demanda por avanços tecnológicos para reduzir as emissões de dióxido de carbono. O hidrogênio é uma energia limpa ideal que produz água quando queimado. Para promover o uso da energia do hidrogênio, é essencial desenvolver tecnologias seguras e que economizem energia para a produção e armazenamento de hidrogênio. Atualmente, o hidrogênio é feito a partir do gás natural, por isso não é adequado para descarbonização. Usar muita energia para separar o hidrogênio não o qualificaria como energia limpa.
As membranas de separação de polímeros têm a grande vantagem de ampliar a membrana de separação e aumentar o coeficiente de separação. No entanto, a velocidade de permeação através da membrana é extremamente baixa, e alta pressão deve ser aplicada para aumentar a velocidade de permeação. Portanto, uma grande quantidade de energia é necessária para a separação usando uma membrana de separação de polímero. O objetivo é criar um novo tipo de tecnologia de membrana de separação que possa atingir velocidades de separação 50 vezes mais rápidas do que as membranas de separação convencionais.

A membrana de peneiramento molecular envolta em grafeno preparada neste estudo tem um fator de separação de 245 e um coeficiente de permeação de 5,8 x 10 ⁶ barreiras, que é mais de 100 vezes melhor do que as membranas convencionais de separação de polímeros. Se o tamanho da membrana de separação for aumentado no futuro, é muito provável que um processo de separação com economia de energia seja estabelecido para a separação de gases importantes, como dióxido de carbono e oxigênio, bem como hidrogênio.

Como visto na imagem do microscópio eletrônico de transmissão na Figura 1, o grafeno é enrolado em torno do cristal de zeólita do tipo MFI, sendo hidrofóbico. O envolvimento usa os princípios da ciência coloidal para manter os planos de cristal de grafeno e zeólita próximos um do outro devido à redução da interação repulsiva. Cerca de cinco camadas de grafeno envolvem cristais de zeólita nesta figura. Ao redor da seta vermelha, há um estreito espaço de interface onde apenas o hidrogênio pode permear. O grafeno também está presente na zeólita hidrofóbica, portanto, a estrutura do cristal da zeólita não pode ser vista com isso. Uma vez que uma forte força atrativa atua entre o grafeno, os cristais de zeólita envolvidos com grafeno estão em contato próximo uns com os outros por um simples tratamento de compressão e não deixam passar nenhum gás.

A Figura 2 mostra um modelo em que os cristais de zeólita envolvidos com grafeno estão em contato uns com os outros. A superfície do cristal da zeólita possui sulcos derivados da estrutura, e existe um canal interfacial entre a zeólita e o grafeno através do qual as moléculas de hidrogênio podem permear seletivamente. O modelo em que os círculos pretos estão conectados é o grafeno, e existem nano-janelas representadas por espaços em branco em alguns lugares. Qualquer gás pode permear livremente as nanojanelas, mas os canais muito estreitos entre as faces do cristal de grafeno e zeólita permitem que o hidrogênio permeie preferencialmente. Essa estrutura permite a separação eficiente de hidrogênio e metano. Por outro lado, o movimento do hidrogênio é rápido porque existem muitos vazios entre as partículas de zeólita envoltas em grafeno. Por esta razão, a permeação de velocidade ultra-alta é possível, mantendo o alto fator de separação de 200 ou mais.

A Figura 3 compara o fator de separação de hidrogênio e o coeficiente de permeação de gás para metano com as membranas de separação relatadas anteriormente. Esta membrana de separação separa o hidrogênio a uma velocidade de cerca de 100 vezes, mantendo um coeficiente de separação mais alto do que as membranas de separação convencionais. Quanto mais longe na direção da seta, melhor o desempenho. Esta membrana de separação recém-desenvolvida abriu o caminho para tecnologias de separação com economia de energia pela primeira vez.

Além disso, este princípio de separação é diferente do mecanismo de dissolução convencional com polímeros e do mecanismo de separação com tamanho de poro em membranas de separação de zeólitas, e depende do alvo de separação selecionando a estrutura da superfície da zeólita ou outro cristal. A separação de alta velocidade para qualquer gás alvo é possível em princípio. Por esta razão, se o método de fabricação industrial desta membrana de separação e da membrana de separação se tornar escalável, a indústria química, indústria de combustão e outras indústrias podem desfrutar de um consumo de energia significativamente melhorado, levando a uma redução significativa nas emissões de dióxido de carbono. Atualmente, o grupo está realizando pesquisas para o estabelecimento de tecnologia básica para produzir rapidamente uma grande quantidade de oxigênio enriquecido a partir do ar. O desenvolvimento de tecnologias de fabricação de oxigênio enriquecido revolucionará a indústria siderúrgica e química e até mesmo a medicina.

A pesquisa foi publicada na revista Science Advances . + Explorar mais

Peneiramento preciso de gases através de poros atômicos em grafeno