Dal grafene nuovi modi per la separazione efficiente di gas

Un team di scienziati guidato dal Cnr ha superato il limite delle prestazioni delle membrane per la separazione di gas, grazie a un materiale stratificato a base di grafene. Il materiale, sviluppato dai ricercatori degli istituti IMM e ISOF del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) in collaborazione con Università di Bologna e la start-up Graphene-XT, tutti partner dell’iniziativa Flagship Graphene, ha potenziali applicazioni nella purificazione dell’idrogeno e nella cattura e stoccaggio del carbonio.

Separare miscele di gas nei loro singoli componenti è un processo che ha molte applicazioni industriali, dall’eliminazione di gas tossici al recupero di idrogeno durante la raffinazione degli idrocarburi. Le membrane per la separazione dei gas funzionano con un compromesso tra alta permeabilità del gas e alta selettività nel separare i gas, il cosiddetto limite di Robeson. Secondo questo limite empirico, è impossibile avere allo stesso tempo un alto flusso di gas e un’elevata capacità di separare specie gassose diverse.

Le membrane messe a punto dai ricercatori superano il limite di Robeson grazie alla combinazione di fogli di ossido di grafene (GO) sovrapposti a catene di polimeri. I ricercatori hanno depositato strati alternati di ossido di grafene e di un comune polimero, la polietilene-immina (PEI), in una struttura periodica ‘a sandwich’ grazie alle cariche elettriche opposte: l’ossido di grafene ha in soluzione cariche negative, mentre il PEI ha cariche positive.

“Le catene microscopiche del polimero agiscono come spaziatori tra gli strati di ossido di grafene, garantendo un elevato flusso di gas attraverso la membrana”, spiega Vincenzo Palermo, ricercatore presso ISOF-CNR e Chalmers University of Technology, e vicedirettore della Flagship Graphene, che ha coordinato il team. “I fogli di ossido di grafene costringono le molecole gassose a diffondersi lungo un percorso tortuoso e a interagire con le catene di PEI. Questa combinazione di materiali consente un trasporto significativo di gas e allo stesso tempo un’elevata selettività per molecole più piccole”.

Le nuove membrane presentano una permeabilità a diversi gas che dipende fortemente dal diametro delle molecole di gas, rendendole quindi capaci di fornire una permeabilità regolabile che si aggiunge all’elevata selettività. “Passando dalla membrana tridimensionale standard a una struttura polimerica stratificata abbiamo ottenuto una separazione del gas che riesce a superare il limite di Robeson usando una membrana di soli 100 nanometri di spessore”, prosegue Palermo. “In questa struttura altamente vincolata ma ordinata, che alterna materiali bidimensionali stratificati e polimeri monodimensionali, la diffusione delle molecole di gas avviene in modo assai diverso da quanto accade nelle ‘classiche’ strutture bidimensionali”.

L’uso del polimero PEI, che è un materiale economico, con funzionalità ‘aumentate’ dal grafene rende queste membrane potenzialmente utili per applicazioni industriali. “Grazie alla collaborazione con l’Università di Bologna e l’azienda Graphene-XT all’interno dell’iniziativa europea Flagship Graphene, abbiamo potuto valutare la possibilità di produrre questi materiali su larga scala per utilizzarli in veri e propri impianti industriali per la separazione di gas”, conclude Palermo.

Riferimenti: Selective Gas Permeation in Graphene Oxide–Polymer Self-Assembled Multilayers. Davide Pierleoni, Matteo Minelli, Simone Ligi, Meganne Christian, Sebastian Funke, Niklas Reineking, Vittorio Morandi, Ferruccio Doghieri, and Vincenzo Palermo. ACS Applied Materials & Interfaces 2018 10 (13), 11242-11250. DOI: 10.1021/acsami.8b01103

La news in inglese: Graphene makes its mark on gas separation

[Immagine: rappresentazione schematica della struttura del materiale con molecole PEI, vincolate tra fogli di ossido di grafene. Credito: ACS]

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