氢是地球上含量最丰富的元素之一，同时更是一种优秀的清洁能源。氢可以作为电动汽车、公共汽车和重型设备燃料电池的燃料来源，然而昂贵的气体分离设备使氢气的广泛应用受到了阻碍。一个来自美国德雷克塞尔大学的国际研究小组发现了一种叫做MXene的纳米材料，这种材料具有极为高效的气体分离特性，当这种材料被用来制备纯化氢膜时，可以提高分离过程的效率并降低成本。
图为MXene的化学成分和微观结构，可以看出内含许多可以捕捉气体的通道，这使其在气体分离方面有巨大的应用潜力。图片来源：德雷克塞尔大学。
氢广泛存在于自然界的各种分子和物质中，而水中氢元素的含量更是十分丰富，但自然界中往往没有以纯元素形态存在的氢。目前从其它元素中分离制备纯氢的方式主要有两种：一种方式是使用电流刺激并分离水分子，并从中制备纯氢；而另一种则是使用薄膜来过滤含有氢的气态混合物，将氢与二氧化碳或烃分离开来。
其中后者是更加有效经济的选择，因此近年来研究人员一直在努力开发能够彻底和快速过滤氢气的薄膜。
该研究团队发表于Nature Communications的一篇论文中提及道，在气体分离膜中使用MXene材料可能是净化氢气最有效的方法。在华南理工大学教授王海辉和德雷塞尔材料科学与工程系教授Yury Gogotsi共同发表的论文中表明，纳米材料的二维结构使其能够选择性地隔绝体积较大的气体分子，而氢却可以在层片之间自由通过。
Gogotsi补充道：“在这篇文章中，我们展示了剥离型二维MXene纳米片是如何首次作为整体模块来构建气体分离层压膜的。我们使用氢和二氧化碳模型系统来展示这一点。”
中国的华南理工大学和吉林大学以及德国莱布尼茨大学的研究人员通过合作研究后发现，使用MXene纳米片制作的气体分离膜膜与目前使用的顶级膜材相比，具有更高的渗透率和更好的选择性。
目前，薄膜在整个能源行业的应用非常广泛，例如可用作冷却水净化膜，也可以在天然气管道接到居民用户楼之前对这些天然气进行净化。气体分离设施还可以利用膜分离技术回收大气中的氮气和氧气。这项研究推开了膜分离技术的大门，可以通过定制过滤装置筛选大量气态分子。
MXene与目前的气体分离材料相比具有更优异的渗透性和过滤选择性，这与其化学组成和结构有关。相比之下，其他膜材料（如石墨烯和沸石）只能通过物理捕获或筛分细小网格通道（如网状物）来进行过滤。
Mxenes之所以拥有这些特殊的过滤特性，因为它们是从固体材料中化学蚀刻出薄层而形成的，称为MAX相。这个过程形成了更接近海绵状的结构，具有各种尺寸的狭缝孔隙。Gogotsi的纳米材料研究小组自2011年以来一直致力于MXenes的研究，可以通过使用不同类型的MAX相或使用不同的化学物质来蚀刻它们，这样便可以预先确定通道的大小。
通道本身就可以被赋予特有的化学活性，因此它们能够吸引或吸附某些特定分子。因此，MXene膜更像是一个磁网，可以在各种各样的化学物质通过时吸附它们。
Gogotsi说：“这是MXenes的主要优势之一。我们有数十种MXenes可供选择，以便为不同的气体提供选择性，本研究中我们使用的是碳化钛MXene，但可用的MXene至少有二十多种，而未来预计将有更多MXene用于研究，这同时也意味着它可用于多种不同的气体分离装置中。”
2011年Drexel发现的多功能二维材料表现出了优良的蓄电效率以及避免电磁干扰的能力。而Gogotsi则认为，下一步应当研究其气体分离特性。
“我们的工作涉及到了水的过滤，离子和分子的筛分以及超级电容器（也涉及到了离子筛分），这表明MXene薄片之间供气体分子通过的通道是原子级的。”他还说到，“但是，我们在气体分离领域缺乏经验，而中国合作者提供了实现目标所需的经验，并证明了MXene膜是可以有效分离气体混合物的，因此如果没有他们的帮助，这项研究是不可能实现的。”
为了实现MXene工业化发展，Gogotsi的团队将继续提高这种材料的耐用性，化学和温度稳定性，并降低其生产成本。
文章来自Materials Today
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