Показана возможность фильтрации газов с помощью нанопористого графена

Учёные из Новой Зеландии, США и Германии разработали теоретический метод использования мельчайших (искусственных) пор в листе графена для разделения изотопов гелия.

Задавая то или иное количество наноразмерных отверстий в материале, исследователи рассчитали и теперь могут с уверенностью утверждать, что возможно такое направленное изменение проницаемости графена, которое позволит проходить сквозь него только изотопу гелий-3, но не гелию-4.

Такой подход, без сомнения, будет полезен как при получении гелия-3 для научных экспериментов, так и для разделения иных газовых смесей, даже в промышленных целях.

grafen-600.jpg Рис. 1. Принцип действия графенового фильтра (иллюстрация ACS).

В земной атмосфере гелий-3 присутствует в количестве 1,4 части на миллион частей гелия-4. Кроме того, он существует в качестве ископаемого нуклида в мантии, появившись в результате ядерного синтеза после Большого взрыва. Этот изотоп требуется для проведения исследований в области слияния ядер и низкотемпературной химии.

Сегодня основным его источником как для науки, так и для промышленности является радиоактивный распад трития. Но в последнее время потребность в гелии-3 значительно возросла, и традиционный источник гелия-3 не в состоянии её удовлетворить. Вся надежда только на природные ресурсы.

Применяя квантовохимические расчёты, учёные обнаружили, что удаление отдельных шестичленных углеродных колец углерода из структуры идеального графена понижает энергетический барьер материала, определяющий его проницаемость. Правда, такой подход не помог достичь специфического потенциала, необходимого для обеспечения эксклюзивного туннелирования гелия-3 и исключения гелия-4. Лишь функционализация нанопор азотом позволила провести тонкую подстройку потенциального барьера туннелирования. Поэтому авторы работы надеются, что

однажды графеновые фильтры с функционализированными азотом порами позволят проводить разделение двух изотопов в промышленных масштабах.

Отчёт о проделанной работе представлен в двух статьях, одна из которых вышла в Journal of Physical Chemistry C, а другая — в Journal of Physical Chemistry Letters.

Кроме того, описанный метод может быть использован для разделения других газовых смесей. Графен относительно инертен, и если окажется возможным создание в его листах контролируемых наноразмерных пор, то такой материал наверняка пригодится для разделения газов. Ну а пара гелий-4/гелий-3 была выбрана для того, чтобы проверить, способны ли квантовомеханические эффекты туннелирования сказать своё слово в изотопном разделении.

Технические препятствия, которые придётся преодолевать исследователям, как только они возьмутся за реальное создание такого графенового фильтра, очевидны.

  • Во-первых, очень и очень трудно получить листы графена большой площади. А
  • во-вторых, процесс фильтрации должен проходить при чрезвычайно низких температурах — что-то около 10 К.
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (4 votes)
Источник(и):

1. Королевскоe химическоe обществo

2. compulenta.ru