Газу легче пройти через тонкую плёнку, но слишком тонкий барьер трудно сделать одновременно прочным и избирательным. Исследователи соединили графен с пористым углеродным слоем, который в самых тонких образцах достигает двух нанометров. Получилась мембрана, различающая молекулы газов. До промышленной установки этому материалу ещё нужны отдельные проверки.
Работа опубликована 23 октября в Nature Sustainability. Авторы описывают двухслойные мембраны из графена и аморфного углерода. Их задача — пропускать одни компоненты газовой смеси предпочтительнее других, сохраняя небольшой путь через разделяющий слой.
Мы проверили аннотацию первичной статьи и открытое приложение с описаниями испытаний. Полный основной текст доступен по подписке. Поэтому ниже различены опубликованные показатели отдельных испытаний и вопросы, на которые эти данные не дают промышленного ответа.
Тонкость помогает, поры выбирают
Мембрана разделяет поток за счёт различий в прохождении молекул. На перенос влияют размеры узких проходов и взаимодействие газа с материалом. Если сделать слой тоньше, путь через него сокращается. Но дефект или слишком широкий проход может испортить разделение, даже если весь остальной материал устроен правильно.
В новой работе графен служит основой для формирования равномерного покрытия из полимера. При последующей термической обработке покрытие превращается в углеродную сеть с очень узкими порами. Графен и пористый слой выполняют совместную работу; изображать такую мембрану обычной сеткой с одинаковыми крупными отверстиями было бы неверно.
Авторы исследовали разные исходные полимеры, толщины и условия получения слоя. Настройка материала позволяет менять, какие газы он лучше различает. Например, условия разделения углекислого газа и метана отличаются от условий отделения водорода от углекислого газа. Все лучшие числа статьи нельзя приписать одному универсальному образцу.
Что происходит во влажном газе
Для прикладного использования важно, как материал работает в смеси и при появлении воды. В открытом приложении описаны опыты со смесью углекислого газа и метана при относительной влажности от 0 до 100 процентов. С ростом влажности проницаемость для углекислого газа снижалась, а избирательность по отношению к метану немного возрастала.
Авторы объясняют это тем, что вода занимает часть узких пор и затрудняет перенос. Более крупные молекулы метана при таком изменении проходят ещё хуже. Получается сочетание двух эффектов: поток уменьшается, но различие между компонентами может усиливаться. Это полезнее для оценки технологии, чем обещание, будто влажность совсем не влияет на результат.
Само испытание влажной смеси не воспроизводит весь состав промышленного газа. В реальном потоке могут присутствовать другие примеси, а режим меняется во времени. Опубликованные данные по двум компонентам не подтверждают устойчивость мембраны к любому сырью.
Давление тоже меняет результат
В отдельных испытаниях авторы увеличивали давление подачи от двух до пяти бар. Избирательность снижалась, а после возвращения к исходному давлению первоначальные показатели восстанавливались. В этих опытах это указывает на обратимость изменения поведения образца, но не устанавливает многолетний срок службы модуля.
Для будущей установки важны площадь мембраны, герметизация, качество больших партий, загрязнение поверхности и затраты на создание перепада давления. Проверять нужно весь процесс: сколько газа проходит, насколько обогащается нужный компонент и сколько энергии требуется на единицу результата.
Новая работа показывает способ совместить очень тонкий слой с точной настройкой переноса молекул. Она даёт основу для дальнейшей инженерной проверки, однако не подтверждает готовность заводской системы улавливания углекислого газа, её стоимость или участие EASY в разработке.
Для сравнения полезен факт WikiChem о непроницаемости цельного графена для гелия: тонкость сама по себе не создаёт проходы для газа. В разделительной мембране важны специально сформированные пути переноса.
Авторская схема EASY: условная смесь проходит через двухслойный барьер, и состав потока меняется. Цвета, числа кружков, толщина и размеры условны; это не атомная структура и не график измерений.
