Неорганические мембраны можно рассматривать как кухонные сита. Подобно тому, как сита отделяют мелкие частицы от более крупных, неорганические мембраны, обычно изготовленные из керамики или металлов, избирательно отделяют молекулы в зависимости от их размера и свойств.

Новаторским достижением стала команда исследователей из Колледжа дизайна и инженерии (CDE) Национального университета Сингапура, возглавляемая профессором Хо Гим Веем с кафедры электротехники и вычислительной техники, разработавшая революционную технологию получения ультратонких неорганических мембран. Эти отдельно стоящие мембраны могут функционировать без какой-либо поддерживающей подложки - значительный прогресс в мембранной технологии.

Легко настраиваемые и простые в изготовлении неорганические мембраны, основанные на универсальной и простой стратегии синтеза, потенциально могут найти применение не только в фильтрации и разделении. Универсальность мембран - от преобразования энергии до катализа и зондирования - может трансформировать различные секторы и отрасли промышленности, зависящие от мембранных технологий. Способствуя повышению эффективности и устойчивости промышленных процессов, новаторские исследования ученых NUS открыли новые возможности для преодоления энергетических проблем в условиях изменения климата.

Мембраны переосмыслены

Известно, что традиционные мембранные технологии, используемые в процессах очистки и разделения, являются энергоемкими и, следовательно, дорогостоящими, часто требующими сочетания давления, тепла, а иногда и химических веществ для эффективного функционирования. Кроме того, мембраны необходимо регенерировать, в то время как отфильтрованные компоненты обычно требуют дополнительной обработки после разделения, что приводит к дополнительным затратам энергии.

Такие ограничения традиционных мембранных технологий послужили стимулом для постдокторского научного сотрудника доктора Чжан Чена из команды профессора Хо разработать новую стратегию синтеза высокоэффективных неорганических мембран. Метод доктора Чжана включает в себя укрощение хаотичных, свободно плавающих неорганических строительных блоков в жидкой среде, заставляя их самособираться в желаемую мембрану. Этот настраиваемый процесс обеспечивает эффективное средство для адаптации толщины мембраны и характеристик пор к конкретным областям применения, достигая максимальной энергоэффективности.

"Наше исследование также позволило нам по-новому взглянуть на то, как традиционно разрабатываются неорганические мембраны", - добавил доктор Чжан.

Ученые NUS представили шаблон синтеза, который другие исследователи могут использовать в своей работе, что может стимулировать открытие более новых мембран с более широким диапазоном состава масштабируемым и экономически эффективным способом.

С точки зрения конструкции, производимые ими мембраны имеют большее геометрическое разнообразие, чем обычные, обеспечивая большую гибкость и возможности при проектировании мембранных конструкций.

Кроме того, в исследовании также исследуется функциональность мембран, где высокоселективные 2D-барьеры используются для управления потоком энергии через мембрану. Эта особенность может влиять на то, как функционирует мембрана, позволяя фильтровать ионы в зависимости от их заряда, использовать различные формы энергии, такие как тепловая, электрическая или световая, или избирательно концентрировать определенные молекулы. Такая гибкость крайне желательна в различных областях применения, связанных с энергетикой, включая топливные элементы и преобразование солнечной энергии.

"Наша новая технология обладает потенциалом для преобразования отраслей промышленности, которые в значительной степени зависят от мембран в своей работе, особенно тех, которые связаны с энергетикой или охраной окружающей среды", - сказал профессор Хо. "Возможность создавать автономные высокоселективные неорганические мембраны открывает множество захватывающих возможностей для применения в усовершенствованном пространственном динамическом разделении, катализе, датчиках, запоминающих устройствах и ионных проводниках, которые представляют собой беспрецедентные разработки".

Выводы команды были опубликованы в научном журнале Природа 29 марта 2023 года.

Формирование более экологичного будущего

С акцентом на эффективность и индивидуализацию инновации исследователей играют ключевую роль в инициативах NUS по обеспечению устойчивого развития, значительно снижая энергопотребление процессов, связанных с мембранами, во всем мире и, как следствие, сокращая углеродный след различных отраслей промышленности.

Движимый потенциалом прорыва, профессор Хо планирует возглавить междисциплинарную команду ученых в рамках многогранной исследовательской программы по продвижению мембранных технологий на новый уровень. "Исследуя широкий спектр мембранных композиций и сочетая их с различными видами энергии, мы надеемся открыть новые области применения и добиться дальнейших успехов на пути к более устойчивому будущему", - поделился профессор Хо.

Команда также стремится разработать автоматизированные производственные инструменты для оптимизации процесса производства неорганических мембран, что в конечном итоге сделает их технологию более доступной в более широком масштабе.