Нова мембрана встановила рекорд відділення водню від CO₂

Дослідники з Університету в Буффало створили мембрану, яка встановила рекорд у відділенні водню від вуглекислого газу. Нова технологія може стати проривом у виробництві чистого палива для енергетики.

Під час розробки мембран для розділення промислових газів науковці зазвичай включають структури, які притягують потрібний газ. Така притягувальна сила може підвищити проникність мембрани та допомогти ефективніше ізолювати бажаний газ. Однак нове дослідження, опубліковане в журналі Science Advances, показує, що іноді відбувається протилежне явище.

«Це дуже нелогічно і кидає виклик традиційному мисленню в науці про розділення газів», — каже Хайцін Лін, професор хімічної та біологічної інженерії в Університеті в Буффало, який є відповідальним автором дослідження.

Вчені виявили, що мембрана з хімічним посиленням може занадто сильно зв'язуватися з потрібним газом, тим самим сповільнюючи проникність мембрани та знижуючи ефективність розділення. Дослідження описує ці явища з вуглекислим газом та мембраною, виготовленою зі зшитих поліамінів, які є полімером, що притягує вуглекислий газ. Експерименти та моделювання показали, що зшиті поліаміни сповільнюють проходження вуглекислого газу через мембрану.

Це відкриття надихнуло Ліна та його колег на нову ідею. Оскільки мембрана настільки ефективно перешкоджала руху вуглекислого газу, можливо, вона чудово справиться з відділенням водню від вуглекислого газу? Ці два гази часто є частиною побічних продуктів промислового розділення газів, а очищений водень має критичне значення для паливних елементів чистої енергії.

Науковці провели додатковий набір експериментів і виявили, що мембрана досягла рекордної селективності 1800. Це означає, що вона дозволяє водню проходити в 1800 разів легше, ніж вуглекислому газу.

«До цієї роботи найкращі показники селективності становили близько 100. Тож це дійсно встановлює новий еталон з точки зору продуктивності», — каже Лейцін Ху, перший автор дослідження, колишній постдокторант в Університеті в Буффало, який зараз є доцентом у Коледжі екологічних та ресурсних наук Чжецзянського університету в Китаї.

Окрім селективності, зшиті поліаміни можна перетворити на промислові тонкоплівкові композитні мембрани, що демонструє їхній потенціал для комерціалізації. Мембрана також має здатність до самовідновлення та залишається стабільною за екстремальних умов.

«Промислове хімічне розділення зараз вимагає величезної кількості енергії, до 15 відсотків світового енергоспоживання», — каже співавтор Кайхан Ші, доцент хімічної та біологічної інженерії в Університеті в Буффало. «Ось чому мембрани, подібні до цієї, завдяки своїй енергоефективності та відсутності хімічних відходів, мають критичне значення для зменшення викидів вуглецю та підтримки чистіших промислових процесів».

Нова технологія може значно знизити енергетичні витрати на промислове виробництво та сприяти розвитку водневої енергетики. Водень розглядається як одне з найперспективніших джерел чистої енергії, оскільки при його спалюванні утворюється лише вода без шкідливих викидів. Однак його виробництво та очищення досі залишаються енергозатратними процесами.

Створення мембрани з такою високою селективністю відкриває нові можливості для ефективного отримання чистого водню з промислових газових сумішей. Це може прискорити перехід до водневої економіки та зменшити залежність від викопного палива.