Химики МГУ создали мембрану для разделения газов

Фото: пресс-служба МГУ

Технология может применяться в нефтедобыче

Елена Коваленко

8 апреля, 2019 10:15

2 мин

Российские химики создали из оксида графена мембрану, способную селективно пропускать пары воды и задерживать азот, метан, бутан и другие газы. Новая схема деления газов может существенно облегчить «сушку» газов перед закачкой в трубопроводы. Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Membrane Science.

Оксид графена — это соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Отличается от большинства оксидов это соединение тем, что не имеет определенного состава: соотношение атомов углерода и кислорода варьируется в нем в пределах от 2,1 до 2,9. Структура и свойства оксида зависят от способа получения, но общими для всех оксидов является пластинчатое строение — графитоподобные углеродные слои, на поверхности которых прикреплены кислородосодержащие группы атомов: карбонильные, гидроксильные, фенольные.

Окисленный графен синтезируют из графита, обрабатывая смесью серной кислоты, нитрата натрия и перманганата калия (метод Хаммерса, разработанный еще в 1950-ые годы). Современным способом получения оксида графена стало продольное «разрезания» углеродных нанотрубок, в результате чего образуются микроскопические плоские ленты из графена в несколько атомов углерода длиной несколько сотен нанометров.

Благодаря специфической двумерной структуре и существованию разных кислородсодержащих групп оксид графита имеет множество применений в самых разнообразных областях. Модифицированный гидроксидом калия оксид графена может быть использован как высокоёмкий конденсатор. Из слоев оксида графена, предварительно растворенных в воде, получают материал, похожий на сверхпрочную бумагу. Слои оксида графена могут избирательно пропускать воду и не пропускать другие газы, что может быть использовано в мембранах осушителей.

Изучением селективного транспорта паров воды в присутствии других газов занимались сотрудники нескольких российских научных организаций (химический факультет МГУ, факультет наук о материалах МГУ, ИОНХ РАН им. Н.С. Курнакова). Химики использовали оксид графена, синтезированный как по методу Хаммерса, так и из «разрезанных» углеродных нанотрубок. Слои оксидов наносили на оксид алюминия, который обладает упорядоченной пористой структурой с варьируемым размером каналов и плотностью пор.

Варьирование соотношения размера нанолистов оксида графена и плотности пор позволило комплексно изучить механизмы переноса паров воды в мембранах на основе оксида графена и выделить вклады переноса молекул воды между слоями и по дефектам в нанолистах.

Источник

— комментирует один из ведущих авторов работы, младший научный сотрудник химического факультета МГУ Дмитрий Петухов.

Ученые показали, что мембраны, изготовленные из листов оксида графена толщиной 25-60 нм, проявляют барьерные свойства по отношению к большинству газов (метан, азот, кислород, бутан), при этом обладая высокой проницаемостью по отношению к парам воды и водорастворимым газам (CO2). Полярные молекулы воды адсорбируются в межслоевом пространстве материала, не позволяя диффундироваться неполярным молекулам через мембрану.