Российские ученые разработали новую двухслойную мембрану для получения особо чистого кислорода из воздуха. Ее можно использовать в микро- и наноэлектронике, фармацевтической промышленности и биотехнологии. Статья об исследовании, поддержанном грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Разделение смеси газов, в том числе воздуха, — это важная часть химической промышленности. Благодаря этому процессу получают, например, чистый кислород, который в сжиженном виде используется в качестве окислителя ракетного топлива, а также служит реагентом для синтеза целого комплекса веществ. Чистый жидкий кислород получают, разделяя воздушную смесь на составляющие, главным образом на азот и кислород. Сейчас это делают в основном тремя методами: криогенным, адсорбционным и мембранным.

Криогенный метод основан на том, что компоненты воздушной смеси переходят из газообразного состояния в жидкое при разных температурах. В адсорбционном методе используются особые вещества, сорбенты, которые могут избирательно поглощать газы из окружающей среды. Мембранный метод основан на том, что мембрана выборочно пропускает через себя различные газы. Эффективность последнего метода и чистота газа целиком зависят от характеристик мембраны.

Сотрудники Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова (ИМЕТ) РАН разработали и получили двухслойный композитный мембранный материал на основе оксидов меди и ванадия, а также изучили его транспортные свойства. Этот материал состоит из плотного внешнего слоя (с высокой проводимостью ионов кислорода и электронов) и внутреннего слоя, в котором происходят окислительно-восстановительные реакции и барботирование кислорода — пропускание газа через жидкую среду. Внешний слой мембраны выступает в роли разделителя, внутренний — выполняет транспортную функцию, то есть переносит молекулы кислорода в реакционную среду. Ранее ученые уже получали расплавно-оксидные мембраны, однако они не были достаточно рентабельны для того, чтобы внедрить их в промышленное производство. Эту проблему исследователи решили в новой разработке.

Схематичное изображение мембраны. Валерий Белоусов

Мембрану получали в два этапа. На первом этапе ученые формировали керамический композитный материал, в который входили оксиды меди и ванадия. На втором этапе его нагревали выше 816 °С, обдувая внешнюю сторону образца воздухом, а внутреннюю — гелием. В таком режиме образец выдерживали полчаса, после чего получался двухслойный материал, в котором внешний и внутренний слои содержали как твердую, так и жидкую фазы.

«Разработанный нами мембранный материал имеет значительный инновационный потенциал для применения в технологии разделения газов», — говорит руководитель работы, доктор физико-математических наук Валерий Белоусов.