Химики придумали два простых способа получения перфорированного графена

Химики предложили два новых простых и надежных метода создания мембран из полимеров и перфорированного графена. Ученым удалось синтезировать ультратонкие усиленные каркасом из графена полимеры, которые могут применяться для фильтрации жидкостей и разделения газовых смесей. Статья опубликована в Science Advances.

Минимальное гидравлическое сопротивление графена для жидкостей и газов делает его подходящим материалом для эффективной и высокопроизводительной фильтрации. К примеру, перфорированный графен может найти применение в газовой промышленности, где многие годы для очистки от примесей и разделения газов применяются полимерные мембраны. Конкурирующие технологии, такие как криогенная дистилляция и сорбционные процессы, требуют, чтобы газы были либо конденсированы, либо термически регенерированы из сорбентов. В отличие от них, мембранное разделение газа не предполагает фазового перехода, представляя потенциал для более энергоэффективного и экологически чистого процесса разделения.

Общее энергопотребление мембранного разделения газовых смесей сильно зависит от качества мембраны. Графен, благодаря тому, что является прочным и очень тонким, имеет большие перспективы применения в газовом разделении следующего поколения. Ученые также экспериментируют с различными блочными полимерами, пытаясь снизить энергозатраты на создание разности трансмембранных давлений — перепад давлений между двумя сторонами мембраны. Кроме того, перфорированный графен позволяет опреснять морскую воду вследствие селективного переноса ионов в сочетании со способностью выдерживать высокие давления. Поэтому исследователи разрабатывают мембраны, сочетающие преимущества графена и полимеров, которые смогут применяться в ультрафильтрации, нанофильтрации, газовом разделении и опреснении воды. Однако надежные и масштабируемые методы изготовления перфорированного графена все еще сложны.

Химики из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе и Пхоханского университета науки и технологии разработали два новых метода синтеза высокопористого перфорированного графена. Оба эти взаимодополняющих друг друга процесса производства — восходящий и нисходящий — делают возможным получение перфорированных графеновых мембран с необходимым количеством слоев и позволят  преодолеть ограничения современных методов производства.

В первом способе ученые использовали каталитическую реакцию с применением метода химического осаждения из паровой фазы. При этом методе на поверхности катализатора меди после отжига происходит выпаривание вольфрама, формирующее островки из его остатков. Таким образом графен синтезируется на поверхности меди, но в местах, где появились островки, в его структуре образуются поры. По словам ученых, образование островков возможно только при сочетании меди и вольфрама, так как ни золото, ни платина, ни молибден, ни никель не проявляют аналогичного поведения. Также важно отметить, что ученым удалось обойтись без литографии, применяемой в современных методах получения структур из графена.

При нисходящем способе на два слоя графена ученые накладывали слой блочного сополимера (основная цепь молекулы сочетает несколько длинных цепочек чередующихся полимеров), в структуру которого входили молекулы полиметилметакрилата в виде сфер. Затем методом ротационного отложения весь этот «бутерброд» раскручивался таким образом, что верхний слой вдавливался в нижние примерно на 50 нанометров. Последующий обжиг в вакууме при температуре 220 градусов Цельсия привел к сгоранию сфер полиметилметакрила и образованию пор в слое сополимера. Затем сквозь эти поры при помощи ионно-лучевого травления исследователи производили перфорацию графена. После чего финальным обжигом в 400 градусов Цельсия они удалили остатки сополимера. 

В обоих случаях в конце перфорированный графен переносили на гидрофобную подложку из поликарбоната, формируя графено-поликарбонтаную мембрану. Несмотря на различную природу образования пор этими двумя методами, их морфологии получились очень похожими, а размер менее 100 нанометров. Усовершенствование деталей обоих процессов позволит получать мембраны с порами средних размеров от 20 до 50 нанометров и достигнуть пористости более 20 процентов на площади до 25 квадратных сантиметров. Предложенная учеными технология перфорации графена позволяет преодолеть такие недостатки других методов, как сложность химических процессов, трудоемкая подготовка структуры графена, низкая пористость, а также образование пустот и трещин. В ходе последующих испытаний мембран, полученных обоими способами, они показали гораздо более высокую проницаемость воды и газа, чем их коммерческие аналоги. Предполагается, что разработанные методы позволят преодолеть существующие ограничения производства и позволят промышленно изготавливать усиленные каркасом из графена тонкопленочные полимеры для фильтрации жидкостей и газового разделения.

Ранее химикам уже удавалось получить однослойную графеновую мембрану, которую можно использовать для разделения газовых смесей. Помимо этого, физики научились изменять проницаемость графеновых мембран.

Тимофей Кочкар