Новая мембрана установила рекорд по отделению водорода от CO₂

При проектировании мембран для разделения промышленных газов ученые часто добавляют структуры, притягивающие целевой газ. Это может повысить проницаемость мембраны и помочь эффективнее выделять нужный газ.

Однако исследование, опубликованное сегодня в Science Advances, показывает, что иногда происходит обратное — химически усиленная мембрана может слишком сильно связываться с целевым газом, замедляя свою проницаемость и снижая эффективность разделения.

«Это очень контр-интуитивно и бросает вызов традиционному мышлению в науке о разделении газов», — говорит соответствующий автор исследования Хайцин Лин, профессор химической и биологической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Университета Буффало.

Исследование описывает это явление на примере диоксида углерода (CO₂) и мембраны из сшитых полиаминов — полимера, притягивающего CO₂. Эксперименты и симуляции показали, как сшитые полиамины замедляют прохождение CO₂ через мембрану.

Это открытие натолкнуло Лина и его коллег на идею. Поскольку мембрана так эффективно препятствует движению CO₂, может ли она преуспеть в отделении водорода от CO₂? Эти два газа часто являются побочными продуктами промышленного разделения газов, а очищенный водород критически важен для топливных элементов чистой энергии.

Ученые провели дополнительную серию экспериментов и обнаружили, что мембрана достигла рекордной селективности 1800, что означает, что она пропускает водород в 1800 раз легче, чем CO₂.

«До этой работы лучшие показатели селективности были около 100. Так что это действительно устанавливает новый ориентир с точки зрения производительности», — говорит первый автор Лейцин Ху, бывший постдокторант UB, а ныне доцент Колледжа наук об окружающей среде и ресурсах Чжэцзянского университета в Китае.

Помимо своей селективности, сшитые полиамины могут быть изготовлены в виде промышленных тонкопленочных композитных мембран, что демонстрирует их потенциал для коммерциализации. Они также обладают способностью к самовосстановлению и остаются стабильными в экстремальных условиях.

«Промышленное химическое разделение в настоящее время требует огромного количества энергии — до 15% мирового энергопотребления, — говорит соавтор Кайханг Ши, доцент кафедры химической и биологической инженерии UB. — Именно поэтому такие мембраны, благодаря своей энергоэффективности и отсутствию химических отходов, чрезвычайно важны для сокращения выбросов углерода и поддержки более чистых промышленных процессов».

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как неожиданное научное открытие может привести к прорывной технологии. Рекордная селективность мембраны открывает новые горизонты для водородной энергетики и декарбонизации промышленности, что особенно актуально в 2025 году.

Дополнительная информация: Leiqing Hu et al, Sabatier principle in designing CO₂-philic but blocking membranes, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adz2830