氫是地球上含量最豐富的元素之一，同時(shí)更是一種優(yōu)秀的清潔能源。氫可以作為電動(dòng)汽車、公共汽車和重型設(shè)備燃料電池的燃料來源，然而昂貴的氣體分離設(shè)備使氫氣的廣泛應(yīng)用受到了阻礙。一個(gè)來自美國德雷克塞爾大學(xué)的國際研究小組發(fā)現(xiàn)了一種叫做MXene的納米材料，這種材料具有極為高效的氣體分離特性，當(dāng)這種材料被用來制備純化氫膜時(shí)，可以提高分離過程的效率并降低成本。
圖為MXene的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，可以看出內(nèi)含許多可以捕捉氣體的通道，這使其在氣體分離方面有巨大的應(yīng)用潛力。圖片來源：德雷克塞爾大學(xué)。
氫廣泛存在于自然界的各種分子和物質(zhì)中，而水中氫元素的含量更是十分豐富，但自然界中往往沒有以純?cè)匦螒B(tài)存在的氫。目前從其它元素中分離制備純氫的方式主要有兩種：一種方式是使用電流刺激并分離水分子，并從中制備純氫；而另一種則是使用薄膜來過濾含有氫的氣態(tài)混合物，將氫與二氧化碳或烴分離開來。
其中后者是更加有效經(jīng)濟(jì)的選擇，因此近年來研究人員一直在努力開發(fā)能夠徹底和快速過濾氫氣的薄膜。
該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表于Nature Communications的一篇論文中提及道，在氣體分離膜中使用MXene材料可能是凈化氫氣最有效的方法。在華南理工大學(xué)教授王海輝和德雷塞爾材料科學(xué)與工程系教授Yury Gogotsi共同發(fā)表的論文中表明，納米材料的二維結(jié)構(gòu)使其能夠選擇性地隔絕體積較大的氣體分子，而氫卻可以在層片之間自由通過。
Gogotsi補(bǔ)充道：“在這篇文章中，我們展示了剝離型二維MXene納米片是如何首次作為整體模塊來構(gòu)建氣體分離層壓膜的。我們使用氫和二氧化碳模型系統(tǒng)來展示這一點(diǎn)。”
中國的華南理工大學(xué)和吉林大學(xué)以及德國萊布尼茨大學(xué)的研究人員通過合作研究后發(fā)現(xiàn)，使用MXene納米片制作的氣體分離膜膜與目前使用的頂級(jí)膜材相比，具有更高的滲透率和更好的選擇性。
目前，薄膜在整個(gè)能源行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，例如可用作冷卻水凈化膜，也可以在天然氣管道接到居民用戶樓之前對(duì)這些天然氣進(jìn)行凈化。氣體分離設(shè)施還可以利用膜分離技術(shù)回收大氣中的氮?dú)夂脱鯕狻＿@項(xiàng)研究推開了膜分離技術(shù)的大門，可以通過定制過濾裝置篩選大量氣態(tài)分子。
MXene與目前的氣體分離材料相比具有更優(yōu)異的滲透性和過濾選擇性，這與其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。相比之下，其他膜材料（如石墨烯和沸石）只能通過物理捕獲或篩分細(xì)小網(wǎng)格通道（如網(wǎng)狀物）來進(jìn)行過濾。
Mxenes之所以擁有這些特殊的過濾特性，因?yàn)樗鼈兪菑墓腆w材料中化學(xué)蝕刻出薄層而形成的，稱為MAX相。這個(gè)過程形成了更接近海綿狀的結(jié)構(gòu)，具有各種尺寸的狹縫孔隙。Gogotsi的納米材料研究小組自2011年以來一直致力于MXenes的研究，可以通過使用不同類型的MAX相或使用不同的化學(xué)物質(zhì)來蝕刻它們，這樣便可以預(yù)先確定通道的大小。
通道本身就可以被賦予特有的化學(xué)活性，因此它們能夠吸引或吸附某些特定分子。因此，MXene膜更像是一個(gè)磁網(wǎng)，可以在各種各樣的化學(xué)物質(zhì)通過時(shí)吸附它們。
Gogotsi說：“這是MXenes的主要優(yōu)勢(shì)之一。我們有數(shù)十種MXenes可供選擇，以便為不同的氣體提供選擇性，本研究中我們使用的是碳化鈦MXene，但可用的MXene至少有二十多種，而未來預(yù)計(jì)將有更多MXene用于研究，這同時(shí)也意味著它可用于多種不同的氣體分離裝置中。”
2011年Drexel發(fā)現(xiàn)的多功能二維材料表現(xiàn)出了優(yōu)良的蓄電效率以及避免電磁干擾的能力。而Gogotsi則認(rèn)為，下一步應(yīng)當(dāng)研究其氣體分離特性。
“我們的工作涉及到了水的過濾，離子和分子的篩分以及超級(jí)電容器（也涉及到了離子篩分），這表明MXene薄片之間供氣體分子通過的通道是原子級(jí)的。”他還說到，“但是，我們?cè)跉怏w分離領(lǐng)域缺乏經(jīng)驗(yàn)，而中國合作者提供了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需的經(jīng)驗(yàn)，并證明了MXene膜是可以有效分離氣體混合物的，因此如果沒有他們的幫助，這項(xiàng)研究是不可能實(shí)現(xiàn)的。”
為了實(shí)現(xiàn)MXene工業(yè)化發(fā)展，Gogotsi的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提高這種材料的耐用性，化學(xué)和溫度穩(wěn)定性，并降低其生產(chǎn)成本。
文章來自Materials Today
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
