Электрон

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4972 (2022) Цитировать эту статью

2650 Доступов

3 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Мембраны на основе углеродных молекулярных сит (CMS) считаются революционными решениями, позволяющими преодолеть проблемы, с которыми сталкиваются обычные полимерные мембраны. Однако мембраны CMS также сталкиваются с проблемой успешного разделения молекул очень близкого размера. В данной статье предлагается высокоточная настройка микроструктуры CMS-мембран с помощью контролируемого электронного облучения для разделения молекул с разницей размеров менее 0,05 нм. Установка мембран CMS для целевого молекулярного разделения может быть достигнута путем контроля дозы облучения, что приводит к высокоэффективному разделению C2H4/C2H6 для низких доз (~250 кГр, с селективностью ~14) и ультраселективному разделению H2/CO2 для высоких доз (1000~14). 2000 кГр с селективностью ~80). Облученный электронами CMS также демонстрирует высокостабилизированную проницаемость и селективность при длительной работе, чем исходный CMS, который страдает от значительного снижения производительности из-за физического старения. Это исследование успешно демонстрирует электронное облучение как возможный способ создания «дизайнерских» нанопористых углеродных мембран из стандартных компонентов, в основном ограниченных условиями пиролиза.

Повышение энергоэффективности в секторах промышленного разделения ускорит глобальные усилия по декарбонизации, поскольку на эти процессы приходится более 10% мирового потребления энергии и выбросов углерода1,2,3. Например, нынешнее промышленное отделение этилена от этана, осуществляемое с помощью энергоемкой криогенной дистилляции, потребляет всего 0,1% мирового потребления энергии из-за их чрезвычайно схожего размера и химических свойств4. Это сложное разделение могло бы выиграть от использования низкоэнергетического подхода с использованием мембран. Нанопористые углеродные мембраны (т.е. углеродные молекулярные сита, CMS), полученные в результате термического разложения полимерных материалов, продемонстрировали тонкое разделение молекул с разницей в размерах менее 0,1 нм: разделение газов для легких углеводородов (соединения C2 или C3). , природные газы (N2/CH4) и разделение жидких углеводородов на изомеры ксилола или изомеры гексана5,6,7,8,9,10. CMS обеспечивает щелевидные пути транспортировки молекул с помощью своих неупорядоченных sp2-гибридизированных графеновых слоев. Уникальные бимодальные поры CMS состоят из супермикропор (0,7–2 нм) и ультрамикропор (<0,7 нм)11. Связь между этими двумя типами пор в CMS обеспечивает высокую проницаемость, которая возникает из-за галереи пор в супермикропорах, и высокую селективность, которая обусловлена ​​​​ограниченным диаметром пор с достаточной структурной жесткостью для повышения диффузионной селективности12,13,14 .

Однако структуры CMS имеют ограниченную эффективность разделения для газовых пар с чрезвычайно малой разницей в размерах (т.е. \(\Delta {{{{{\rm{size}}}}}}\, < \, 0,05{{{{{\ rm{nm}}}}}}\); например, C2H4/C2H6 или H2/CO2). Это происходит в первую очередь из-за недостаточного ограничения пор и ограниченного количества пор размером менее 0,5 нм. В качестве примера, мембраны CMS, полученные из Matrimid® и полиимида на основе 6FDA(4,4'-(гексафторизопропилиден)дифталевого ангидрида), были протестированы на разделение C2H4/C2H6 (\(\Delta {{{{{\rm{size}} }}}}=0,01{{{{{\rm{нм}}}}}}\)) с различными протоколами нагрева при изготовлении мембран CMS15. Хотя эти CMS-мембраны демонстрировали умеренную проницаемость C2H4 (~100 Баррер) в относительно низком диапазоне температур пиролиза 500–550 °C, селективность C2H4/C2H6 оставалась на уровне около 3–5, что указывает на незначительную возможность резкой дифференциации C2H6 под действием CMS. размер окна. При повышении температуры пиролиза до 800 °С селективность повысилась до 9, а проницаемость по C2H4 упала на порядок. Еще один сложный пример: селективность H2/CO2 (\(\Delta {{{{{\rm{size}}}}}}=0,041{{{{{\rm{nm}}}}}}\)) в мембранах CMS обычно сообщается о значении менее 10, независимо от конечной температуры пиролиза или типов предшественников16,17,18. В дополнение к сильной адсорбции между CO2 и углеродными поверхностями, которая увеличивает внутреннюю проницаемость CO2, неполное развитие ультрамикропор размером менее 0,5 нм в матрице CMS подавляет эффективное различение между H2 и CO2.