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Los nanomateriales bidimensionales (2D) se utilizan para la separación de membranas debido a sus estructuras y propiedades únicas. En este sentido, el nitruro de carbono grafítico 2D (gC3norte4) Las nanoláminas se consideran prometedoras para la construcción de membranas debido a sus nanoporos integrados en el plano.
![Nanoláminas de alta calidad para purificación de H2 y separación de gases](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39772_16651390757286081.jpg)
Estudio: Purificación rápida de hidrógeno mediante membranas de nanoláminas de nitruro de carbono grafítico. Crédito: Shawn Hempel/Shutterstock.com
No obstante, los defectos no selectivos inducidos durante la preparación convencional de arriba hacia abajo y el reordenamiento no deseado limitan la aplicación de gC3norte4 Nanohojas en la separación de gases. Un artículo publicado en Nature Communications presentó gC laminar3norte4 Nanoláminas fabricadas a partir del proceso ascendente y utilizadas como membranas para la separación de gases.
Las membranas fabricadas ofrecieron una selectividad excepcional para varias mezclas de gases y mostraron un hidrógeno (H2) permeabilidad de 1,3 × 10−6 Moles por metro cuadrado por segundo por pascal debido a caminos entre capas de alta densidad y canales de pantalla.
Curiosamente, las membranas altas en H2 La permeabilidad fue estable incluso en entornos hostiles como atmósferas húmedas, cambios de temperatura y operación a largo plazo (> 200 horas). Así, las membranas lamelares preparadas a partir de gC3norte4 Las nanohojas sirvieron como separadores de gas eficientes.
membrana de tamiz molecular basada en nanohojas g-C3N4
El hidrógeno es un gas libre de carbono que representa una fuente de energía sostenible de próxima generación. Sin embargo, durante la producción, el hidrógeno se mezcla con moléculas grandes como el dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y metano (CH4), que deben separarse antes de la aplicación práctica.
Los procesos de separación convencionales, como la adsorción por cambio de presión y la destilación, consumen mucha energía. Sin embargo, la tecnología de separación por membrana establecida recientemente es una alternativa de ahorro de energía para purificar H2 Gas. Sin embargo, el compromiso entre selectividad y permeabilidad limita la aplicación de membranas poliméricas convencionales en los procesos de separación.
Las membranas de nanoláminas 2D son excelentes opciones para la separación de alto rendimiento debido al tamaño de poro ajustable de las nanoláminas 2D y los canales entre capas de las nanoláminas adyacentes. El grafeno y sus variantes se encuentran entre los materiales 2D mejor estudiados.
Además del grafeno y sus derivados, existen otros materiales de nanoláminas 2D, que incluyen zeolitas, marcos orgánicos metálicos (MOF), marcos orgánicos covalentes (COF), MXenes y gC.3norte4también han mostrado un potencial sin precedentes para varios procesos de filtración y separación.
gC3norte4 Las nanoláminas son los componentes básicos de las membranas de tamiz molecular. Estas nanoláminas tienen poros de tamaño molecular que forman unidades de tri-s-triazina de un grosor nanométrico en el plano 2D. Por lo tanto gC3norte4 Las membranas de nanoláminas son excelentes candidatas para H2 Separación.
Debido a las dificultades para obtener gC de alta calidad3norte4 Nanohojas, pocos artículos han discutido la separación de gases usando gC3norte4 membranas de nanoláminas. Como otros materiales 2D, gC3norte4 Las nanoláminas se fabricaron a partir de materiales a granel mediante exfoliación de arriba hacia abajo. Este proceso implica exponer el material a ambientes hostiles para eliminar gC a granel.3norte4Interacciones entre capas que también inducen degradación estructural y causan defectos en el gC resultante3norte4 nanohojas.
Membranas de nanoláminas de nitruro de carbono de grafito para la purificación de H2
Usando ácido clorhídrico fuerte, los investigadores construyeron previamente gC3norte4 Membranas de nanoláminas con nanoporos artificiales de 1,5-3 nanómetros. Aunque estas membranas mostraron un notable rendimiento de nanofiltración, tenían grandes nanoporos que contenían H2 Limpieza. Informes anteriores han mencionado que las fuertes interacciones π–π entre las nanoláminas dan como resultado películas densas que bloquean los nanoporos integrales en el plano.
En este estudio, gC de alta calidad3norte4 Las nanoláminas se fabricaron utilizando un enfoque de abajo hacia arriba. El gC preparado3norte4 fue delaminada en nanohojas por policondensación térmica. Aquí, se usa el método de abajo hacia arriba en lugar del método de arriba hacia abajo para producir gC3norte4 Nanosheets omitió el paso de exfoliación y, en consecuencia, evitó el daño estructural al gC3norte4 nanohojas.
Además, el uso de isopropanol como agente dispersante debilitó las interacciones π–π entre los gCs3norte4 nanohojas, lo que resulta en gC3norte4 Membranas con estructuras de apilamiento desorientadas hechas de gC de alta calidad3norte4 nanohojas. El gC preparado3norte4 Las membranas de nanoláminas mostraron una excelente H2 Permeabilidad de 1,3 × 10−6 Moles por metro cuadrado por segundo por pascal con alta selectividad para la separación de diferentes mezclas de gases.
Las simulaciones de la teoría funcional de la densidad (DFT) y la dinámica molecular (MD) mostraron que el proceso de separación de gases a través del gC3norte4 membrana se debió a los efectos sinérgicos de la limitación de tamaño y las interacciones de las moléculas de gas con gC3norte4 nanohojas. Así, el presente estudio ha contribuido al desarrollo de un gC3norte4 membrana de nanoláminas y ofreció un método para fabricar membranas de nanoláminas 2D alternativas para la separación de gases.
Conclusión
En resumen, el gC lamelar producido3norte4 Las membranas de nanoláminas mostraron una excelente capacidad de separación de gases. El uso del método de abajo hacia arriba para fabricar las membranas evitó la degradación estructural asociada con la exfoliación de arriba hacia abajo.
La introducción de moléculas invitadas durante la preparación de la membrana impidió que gC3norte4 Nanohojas por reapilamiento. Además, el efecto sinérgico de la estructura de pila desordenada y los canales de pantalla de alta densidad aumentaron el H2 Permeabilidad de las membranas de nanoláminas fabricadas.
Estas membranas son estables incluso en condiciones de fabricación adversas. La estabilidad a largo plazo del gC3norte4 membrana lo convierte en un candidato prometedor para H2 limpieza y ofrece la posibilidad de mantener la neutralidad de carbono.
Relación
Zho, Y. et al. (2022). Purificación rápida de hidrógeno a través de membranas de nanoláminas de nitruro de carbono grafítico. comunicación de la naturaleza. https://www.nature.com/articles/s41467-022-33654-6
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