Новый метод создания мембран из графенового оксида для разделения водорода и других газов

Изображение мембраны из графенового оксида, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Видны наномасштабные складки и изогнутые каналы, улучшающие транспорт газов. Автор: Институт функциональных интеллектуальных материалов, Национальный университет Сингапура / Дарья В. Андреева.

Эффективное разделение газов может быть крайне полезным для множества применений. Например, оно поможет производить водород (H₂) для топливных элементов и химической промышленности или улавливать углекислый газ (CO₂), выделяемый промышленными предприятиями.

Многие существующие методы разделения газов основаны на газоразделительных мембранах — тонких плёнках, которые пропускают определённые газы, блокируя другие. Один из самых перспективных материалов для создания таких мембран — графеновый оксид (GO), производное графена, по-разному реагирующее на воздействие различных молекул.

Несмотря на потенциал, традиционные мембраны на основе GO обладают низкой проницаемостью. Это означает, что хотя они могут разделять H₂ или CO₂, газы проходят через них слишком медленно для практического применения.

Исследователи из Национального университета Сингапура предложили новый метод создания мембран из «смятых» листов GO, которые демонстрируют как более высокую проницаемость для H₂, так и селективность (способность различать газы). Их подход, описанный в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, может упростить использование таких мембран для производства чистого водорода и улавливания вредных газов.

«Эта работа возникла из давней проблемы в мембранной науке: компромисса между селективностью и проницаемостью», — пояснила Дарья В. Андреева, ведущий автор исследования. — «GO перспективен благодаря настраиваемым наноканалам, но его плотная структура ограничивает пропускную способность. Мы решили проверить, может ли контролируемая механическая деформация (в нашем случае — сминание) изменить внутреннюю архитектуру мембран и преодолеть это ограничение».

Основная цель исследования — перепроектировать транспортные пути в мембранах GO, чтобы добиться высокой проницаемости и селективности без ущерба для механической прочности и масштабируемости производства.

«Мы разработали метод сминания листов GO с помощью одноосного напряжения, — объяснила Андреева. — Этот процесс создаёт локальные складки и изгибы, формируя иерархическую сеть нанополостей и извилистых путей. Такая структура позволяет малым молекулам, таким как водород, диффундировать быстрее, но при этом блокирует более крупные частицы».

Главное преимущество новой методики — сочетание высокой точности молекулярного просеивания с увеличением потока газа. Это важный шаг, так как ранее считалось, что эти два параметра взаимно исключают друг друга.

В будущем метод может быть использован для создания других мембран на основе GO с ещё более высокой эффективностью. Учёные также работают над адаптацией технологии для конкретных промышленных применений.

«Мы изучаем возможность интеграции этого подхода с материалами, реагирующими на внешние стимулы, чтобы создать динамически перестраиваемые мембраны, — добавила Андреева. — Также мы планируем испытания в промышленных условиях и масштабирование производства. Параллельно мы используем инструменты ИИ для поиска других 2D-материалов, которые могут выиграть от подобных структурных модификаций».

Дополнительная информация: Pengxiang Zhang et al, Strain-induced crumpling of graphene oxide lamellas to achieve fast and selective transport of H₂ and CO₂, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01971-8