Швейцарским ученым впервые удалось получить однослойную графеновую мембрану, которую можно использовать для разделения газовых смесей. Специально для этого был разработан не приводящий к появлению трещин способ переноса графеновых пленок площадью до одного квадратного миллиметра на пористую подложку. С помощью такой мембраны удалось выделить водород из его смесей с углекислым газом и с метаном, пишут ученые в Nature Communications.

Один из способов использования двумерных кристаллов — разделение жидкостей и газов. Обычно такие материалы предлагают использовать для разделения и очистки жидкостей, но с помощью них можно делить и газовые смеси. Правда, делать это намного сложнее — обычно для этого приходится использовать квантовые эффекты, например отличия в длине волны де Бройля у разных газов. Такое разделение всегда происходит в многослойных системах — молекулы одних газов могут проникнуть в зазор между слоями, связанными между собой силами Ван-дер-Ваальса, а молекулы других газов — не могут. Использовать же для эффективного разделения газовых смесей однослойные двумерные кристаллы до сих пор не удавалось. Теоретически возможность такого процесса в кристаллах, содержащих нанометровые поры, предсказывалась, однако на практике такой процесс реализован не был.

Впервые разделить смесь газов с помощью однослойного графена в реальном эксперименте удалось группе швейцарских материаловедов из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Кумара Агварала (Kumar V. Agrawal). Для этого ученые предложили использовать кристалл однослойного графена, нанесенный на пористую вольфрамовую подложку. Одна из сложностей такого нанесения — невозможность переноса графена достаточно большой площади на нужную поверхность без появления в нем трещин. Из-за возникновения трещин молекулы газа могут просто проходить сквозь поврежденный графен, поэтому использоваться в качестве газоразделительной мембраны он уже не может.

Решить эту проблему ученые смогли, использовав для переноса дополнительный слой нанопористого углерода. В результате углерод в графене оказывается связан с углеродом во вспомогательном слое и перенести эту структуру на металлическую пористую подложку удается без повреждений. Углеродный слой при этом оказывается при этом между подложкой и графеном, но на свойства мембраны из-за своей пористости не влияет.

Схема получения графеновой мембраны и ее переноса на пористую вольфрамовую подложку. S. Huang et al./ Nature Communications, 2018

В полученных таким образом графеновых мембранах площадью до одного квадратного миллиметра естественным образом образуются поры. Эти поры имеют диаметр меньше одного нанометра и могут пропускать через себя молекулы водорода или гелия, задерживая при этом более крупные молекулы других газов. При этом и их концентрацию в мембране, и размер можно менять за счет дополнительной обработки пленки озоном.

Электронные фотографии графеновой мембраны с нанометровыми порами, сквозь которые могут проходить молекулы газа. Масштабная линейка — 1 нанометр. S. Huang et al./ Nature Communications, 2018

Применимость таких устройств для разделения газов ученые продемонстрировали, выделив водород из его смесей с углекислым газом и с метаном. Для этого газовые смеси продавливались сквозь графеновые мембраны при давлении от 1,5 до 7 атмосфер и температуре от 25 до 250 градусов Цельсия. Максимальной селективности удалось достичь для смеси водорода и метана при температуре 250 градусов Цельсия (водород в 25 быстрее проходил через мембрану, чем метан). Проницаемость мембраны при этом достигала 0,4 микромоля в секунду (в пересчете на 1 квадратный метр мембраны и разнице давлений с двух сторон от мембраны в 1 паскаль), даже несмотря на сравнительно небольшую концентрацию пор. Авторы работы отмечают что, например, смесь водорода и гелия разделить таким образом практически не удается.

По словам материаловедов, пока до применения подобных мембран на практике далеко, однако разработанные ими технологии переноса пленок на нужную подложку без повреждений и возможность управления размером и концентрацией пор (а соответственно — селективностью и проницаемостью мембран) делают их немного ближе к реальности.

Обычно мембраны на основе графена и других двумерных материалов используются для фильтрования жидкостей а не газов. Совсем недавно химики нашли способ управлять проницаемостью таких мембран для воды, меняя приложенное к ним электрическое напряжение.

Автор: Александр Дубов