Химики МГУ создали мембрану для разделения газов

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», — 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.
«В данной работе мы сосредоточились на изучении влияния размера нанолистов на скорость транспорта, однако одно из продолжений работы, которым мы сейчас активно занимаемся, состоит в изучении влияния степени окисленности оксида графена на его транспортные свойства», — поделился Дмитрий Петухов.

Мембраны, демонстрирующие селективный транспорт паров воды, могут использоваться для осушения технологических газовых смесей, например, при подготовке воздуха для пневматических систем или же при подготовке природного и попутного нефтяного газа к трубопроводному транспорту.