氫是地球上含量最豐富的元素之一，同時更是一種優秀的清潔能源。氫可以作為電動汽車、公共汽車和重型設備燃料電池的燃料來源，然而昂貴的氣體分離設備使氫氣的廣泛應用受到了阻礙。一個來自美國德雷克塞爾大學的國際研究小組發現了一種叫做MXene的納米材料，這種材料具有極為高效的氣體分離特性，當這種材料被用來制備純化氫膜時，可以提高分離過程的效率并降低成本。
圖為MXene的化學成分和微觀結構，可以看出內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用潛力。圖片來源：德雷克塞爾大學。
氫廣泛存在于自然界的各種分子和物質中，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元素形態存在的氫。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濟的選擇，因此近年來研究人員一直在努力開發能夠徹底和快速過濾氫氣的薄膜。
該研究團隊發表于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。在華南理工大學教授王海輝和德雷塞爾材料科學與工程系教授Yury Gogotsi共同發表的論文中表明，納米材料的二維結構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建氣體分離層壓膜的。我們使用氫和二氧化碳模型系統來展示這一點。”
中國的華南理工大學和吉林大學以及德國萊布尼茨大學的研究人員通過合作研究后發現，使用MXene納米片制作的氣體分離膜膜與目前使用的頂級膜材相比，具有更高的滲透率和更好的選擇性。
目前，薄膜在整個能源行業的應用非常廣泛，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這些天然氣進行凈化。氣體分離設施還可以利用膜分離技術回收大氣中的氮氣和氧氣。這項研究推開了膜分離技術的大門，可以通過定制過濾裝置篩選大量氣態分子。
MXene與目前的氣體分離材料相比具有更優異的滲透性和過濾選擇性，這與其化學組成和結構有關。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小網格通道（如網狀物）來進行過濾。
Mxenes之所以擁有這些特殊的過濾特性，因為它們是從固體材料中化學蝕刻出薄層而形成的，稱為MAX相。這個過程形成了更接近海綿狀的結構，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物質來蝕刻它們，這樣便可以預先確定通道的大小。
通道本身就可以被賦予特有的化學活性，因此它們能夠吸引或吸附某些特定分子。因此，MXene膜更像是一個磁網，可以在各種各樣的化學物質通過時吸附它們。
Gogotsi說：“這是MXenes的主要優勢之一。我們有數十種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，而未來預計將有更多MXene用于研究，這同時也意味著它可用于多種不同的氣體分離裝置中。”
2011年Drexel發現的多功能二維材料表現出了優良的蓄電效率以及避免電磁干擾的能力。而Gogotsi則認為，下一步應當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的。”他還說到，“但是，我們在氣體分離領域缺乏經驗，而中國合作者提供了實現目標所需的經驗，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，這項研究是不可能實現的。”
為了實現MXene工業化發展，Gogotsi的團隊將繼續提高這種材料的耐用性，化學和溫度穩定性，并降低其生產成本。
文章來自Materials Today
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