Yeni polimer membran tasarımı, yüksek saflıkta hidrojen ayrımını iyileştirir

İçinde Doğa İletişimi KAIST Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Bölümü’nden Profesör Tae-Hyun Bae liderliğindeki bir araştırma ekibi, polimer membranların içindeki angstrom ölçeğinde hidrojen seçici taşıma yollarını tanıttı ve bunların ayırma performanslarını “ağ bütünlüğü” kavramı aracılığıyla açıkladı.

Hidrojen, kullanıldığında kirletici madde yaymadığı için çevre dostu bir enerji kaynağı olarak dikkat çekiyor. Bununla birlikte, üretim sırasında oluşan karışık gazlardan yüksek saflıkta hidrojenin ayrılması, ticarileştirme açısından önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Metal-organik çerçeveler (MOF’ler) ve kovalent organik çerçeveler (COF’ler) gibi kristal gözenekli malzemeler avantajlıdır çünkü gözenekleri eşit şekilde tasarlanabilmektedir. Ancak geniş alanlarda hatasız olarak üretilmeleri zordur ve hidrojen gibi küçük moleküllerin ayrılmasında sınırlamalar vardır.

Bunun aksine, polimer membranların işlenmesi ve geniş alanlara ölçeklendirilmesi daha kolaydır, ancak gözenek oluşumunun tam olarak kontrol edilmesi zor olduğundan, ayırma performanslarını belirli bir seviyenin üzerine çıkarmak zorlayıcı olmuştur.

Tüm ağ yollarının ölçülmesi

Her iki malzeme türünün avantajlarını birleştirmek için araştırma ekibi, polimer zincirlerinin çapraz bağlayıcılarla bağlandığı modüler bir ağ yapısı tasarladı. Bu süreçte ekip, çapraz bağlanmanın derecesini tanımlamak için kullanılan çapraz bağlanma derecesi (CD) ve etkili çapraz bağlanma derecesi (ECD) gibi geleneksel göstergelerin, ayırma için yararlı gözeneklerin gerçekten oluşup oluşmadığını belirleyememesi sınırlamasına odaklandı.

Bu nedenle araştırmacılar, tam yollar oluşturmak için her iki uçta bağlanan çapraz bağlayıcıların oranını ifade eden Köprü Bağlantı Derecesi (BCD) adı verilen yeni bir ölçüm önerdiler. Bu, inorganik gözenekli malzemelerde vurgulanan “tam çerçeve bağlantısı” kavramının polimer ağlara da niceliksel olarak uygulanmasını mümkün kıldı.

Ultramikro gözenekler hidrojen ayrımını artırır

Yeni geliştirilen membran ms-oDMB-DB50, %73’lük yüksek bir Köprü Bağlantı Derecesi elde etti ve hem hidrojen geçirgenliği hem de hidrojen/nitrojen seçiciliği, orijinal malzeme DB50 ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde iyileştirildi.

Analiz, zarın, karbondioksitin erişemediği, 3 Å’dan küçük çok sayıda ultramikrogözenek içerdiğini gösterdi. Araştırma ekibi ayrıca, bu ultramikrogözeneklerin varlığını deneysel olarak doğrulamak için hidrojenden daha küçük olan helyum moleküllerini prob olarak kullanan bir “yoğunluk probu yöntemi” önerdi.

Endüstri için güç ve istikrar

Yeni geliştirilen membran da 100 saat boyunca herhangi bir performans kaybı olmadan stabil bir şekilde çalıştı. Membranın kırılmadan dayanabileceği kuvvet olan gerilme mukavemeti, daha önce rapor edilen yüksek performanslı polimer membranların yaklaşık iki katıydı ve endüstriyel prosesler için gereken sağlam dayanıklılığa sahip olduğunu doğruladı.

Dr. Hongju Lee, “Bu iki tür malzemenin avantajlarını birleştirmek için daha önce girişimlerde bulunulmuştu, ancak bu çalışma, ‘ağın ne kadar tamamen bağlantılı olduğunu’ niceliksel bir değer olarak tanımlaması ve bu değeri doğrudan ayırma performansına bağlaması açısından farklı.

“Bu çalışmanın, inorganik moleküler elekler için kullanılan bir tasarım ilkesi olan retiküler sentezin polimer membranlara genişletilmesi için bir başlangıç ​​noktası olarak hizmet edeceğini umuyoruz.”

Profesör Bae şunları söyledi: “Polimer zincirlerini, Lego blokları gibi birbirine uyan çapraz bağlayıcılarla birleştirerek, zarın içinde yalnızca küçük hidrojen gazı moleküllerinin seçici olarak geçmesine izin veren bir ağ oluşturduk.”