Die Auswirkungen der globalen Erwärmung werden immer ernster, und es besteht eine starke Nachfrage nach technologischen Fortschritten zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen. Wasserstoff ist eine ideale saubere Energie, die beim Verbrennen Wasser erzeugt. Um die Nutzung von Wasserstoffenergie zu fördern, ist die Entwicklung sicherer und energiesparender Technologien zur Wasserstofferzeugung und -speicherung unerlässlich. Derzeit wird Wasserstoff aus Erdgas hergestellt, daher ist er nicht für die Dekarbonisierung geeignet. Der Einsatz von viel Energie zur Abtrennung von Wasserstoff würde ihn nicht als saubere Energie qualifizieren.
Polymertrennmembranen haben den großen Vorteil, dass sie die Trennmembran vergrößern und den Trennkoeffizienten erhöhen. Die Permeationsgeschwindigkeit durch die Membran ist jedoch extrem gering, und es muss hoher Druck angewendet werden, um die Permeationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Daher ist für die Trennung unter Verwendung einer Polymer-Trennmembran eine große Energiemenge erforderlich. Ziel ist es, eine neuartige Trennmembrantechnologie zu schaffen, die Trenngeschwindigkeiten erreichen kann, die 50-mal schneller sind als die herkömmlicher Trennmembranen.
Die in dieser Studie hergestellte mit Graphen umhüllte Molekularsiebmembran hat einen Trennfaktor von 245 und einen Permeationskoeffizienten von 5,8 x 106 Barrer, was mehr als 100-mal besser ist als der herkömmlicher Polymer-Trennmembranen. Wenn die Größe der Trennmembran in Zukunft erhöht wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein energiesparendes Trennverfahren zur Trennung wichtiger Gase wie Kohlendioxid und Sauerstoff sowie Wasserstoff etabliert wird.
Wie im Transmissionselektronenmikroskopbild in Abbildung 1 zu sehen ist, ist Graphen um den Zeolithkristall vom MFI-Typ gewickelt, was hydrophob ist. Die Verpackung nutzt die Prinzipien der Kolloidwissenschaft, um die Kristallebenen von Graphen und Zeolith aufgrund der Verringerung der abstoßenden Wechselwirkung nahe beieinander zu halten. Etwa fünf Lagen Graphen umschließen in dieser Figur Zeolithkristalle. Um den roten Pfeil herum gibt es einen schmalen Grenzflächenraum, in den nur Wasserstoff eindringen kann. Graphen ist auch auf hydrophobem Zeolith vorhanden, sodass die Struktur des Zeolithkristalls damit nicht sichtbar ist. Da zwischen Graphen eine starke Anziehungskraft wirkt, sind die mit Graphen umhüllten Zeolithkristalle durch eine einfache Kompressionsbehandlung in engem Kontakt miteinander und lassen kein Gas durch.
Abbildung 2 zeigt ein Modell, in dem mit Graphen umhüllte Zeolithkristalle miteinander in Kontakt stehen. Die Oberfläche des Zeolithkristalls weist von der Struktur abgeleitete Rillen auf, und es gibt einen Grenzflächenkanal zwischen Zeolith und Graphen, durch den Wasserstoffmoleküle selektiv eindringen können. Das Modell, in dem die schwarzen Kreise verbunden sind, ist Graphen, und an einigen Stellen gibt es Nanofenster, die durch Leerzeichen dargestellt werden. Jedes Gas kann die Nanofenster ungehindert durchdringen, aber die sehr schmalen Kanäle zwischen Graphen- und Zeolith-Kristallflächen lassen Wasserstoff bevorzugt durch. Diese Struktur ermöglicht eine effiziente Trennung von Wasserstoff und Methan. Andererseits ist die Bewegung von Wasserstoff schnell, weil es viele Hohlräume zwischen den mit Graphen umhüllten Zeolithpartikeln gibt. Aus diesem Grund ist eine Permeation mit ultrahoher Geschwindigkeit möglich, während der hohe Trennfaktor von 200 oder mehr beibehalten wird.
Abbildung 3 vergleicht den Wasserstoff-Trennfaktor und den Gaspermeationskoeffizienten für Methan mit den zuvor beschriebenen Trennmembranen. Diese Trennmembran trennt Wasserstoff mit einer etwa 100-fachen Geschwindigkeit, während sie einen höheren Trennkoeffizienten als herkömmliche Trennmembranen beibehält. Je weiter in Pfeilrichtung, desto besser die Leistung. Diese neu entwickelte Trennmembran hat erstmals den Weg für energiesparende Trenntechnologien geebnet.
Außerdem unterscheidet sich dieses Trennprinzip von dem herkömmlichen Auflösungsmechanismus mit Polymeren und dem Trennmechanismus mit Porengröße in Zeolith-Trennmembranen, und es hängt vom Trennziel ab, indem die Oberflächenstruktur von Zeolith oder einem anderen Kristall ausgewählt wird. Prinzipiell ist eine Hochgeschwindigkeitstrennung für jedes Zielgas möglich. Aus diesem Grund können sich die chemische Industrie, die Verbrennungsindustrie und andere Industrien, wenn das industrielle Herstellungsverfahren dieser Trennmembran und der Trennmembran skalierbar wird, über einen erheblich verbesserten Energieverbrauch freuen, was zu einer erheblichen Verringerung der Kohlendioxidemissionen führt. Derzeit forscht die Gruppe an der Etablierung einer Basistechnologie zur schnellen Erzeugung einer großen Menge angereicherten Sauerstoffs aus Luft. Die Entwicklung von Technologien zur Herstellung von angereichertem Sauerstoff wird die Stahl- und chemische Industrie und sogar die Medizin revolutionieren.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
Radovan Kukobat et al., Ultrapermeable 2D-Kanal-Graphen-umhüllte Zeolith-Molekularsiebmembranen für die Wasserstofftrennung, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl3521. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl3521
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