El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y una fuente de combustible excepcionalmente limpia. Mientras se abre paso en las celdas de combustible de los automóviles eléctricos, autobuses y equipos pesados, su uso generalizado se ve obstaculizado por el costoso proceso de separación de gases, requerido para producir #Hidrógeno puro. Pero ese proceso, pronto podría volverse más eficiente y rentable, gracias al descubrimiento de un equipo internacional de investigadores [VIDEO], dirigido en los Estados Unidos ,por la Universidad de Drexel. El grupo ha descubierto propiedades de separación de gases excepcionalmente eficientes en un nanomaterial llamado MXene, que podría incorporarse en las membranas utilizadas para purificar el hidrógeno.

Mientras que el hidrógeno está presente en una amplia variedad de moléculas y materiales en la naturaleza, el agua, una combinación de hidrógeno y agua, la más importante de ellas; no existe naturalmente en su forma elemental pura, es decir, hidrógeno en sí mismo, en la Tierra. Para separar el hidrógeno de los otros elementos a los que se une comúnmente, se requiere introducir una corriente eléctrica para excitar y separar los átomos de las moléculas de agua o filtrar una mezcla gaseosa, que contenga hidrógeno, a través de una membrana para separar el hidrógeno del dióxido de carbono o hidrocarburos.

El proceso de separación de gases, a través de la membrana es la opción más efectiva y asequible, por lo que en los últimos años los investigadores han estado intensificando los esfuerzos, para desarrollar membranas que puedan filtrar el hidrógeno a fondo y rápidamente.

Material MXene

Un estudio recientemente publicado en la revista Nature Communications indica que el uso del material MXene en las membranas de separación de gases, podría ser la forma más eficiente de purificar el gas de hidrógeno. La investigación, dirigida por Haihui Wang, PhD, profesor de la Universidad de Tecnología del Sur de China y Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University y profesor de Bach en Drexel's College of Engineering, en el Departamento de #Ciencia e Ingeniería de Materiales, muestra que los dos nanomateriales la estructura dimensional le permite rechazar selectivamente grandes moléculas de gas, mientras deja que el hidrógeno se deslice entre las capas.

"En este informe mostramos cómo las nanoláminas MXene bidimensionales exfoliadas, se pueden usar como bloques de construcción para construir membranas laminadas, para la separación de gases por primera vez", dijo Gogotsi. "Lo demostramos utilizando sistemas modelo de hidrógeno y dióxido de carbono".

Trabajando en colaboración con investigadores de la Universidad Tecnológica del Sur de China y la Universidad Jilin, en China, y la Universidad Leibniz de Hannover, en Alemania, el equipo Drexel informó que las membranas creadas utilizando nanosenieves MXene superan a los materiales de membrana de primera línea, actualmente en uso, tanto en permeabilidad como en selectividad.

En la actualidad, se utilizan muchos tipos diferentes de membranas en toda la industria de la energía, por ejemplo, para purificar agua refrigerante antes de su lanzamiento, y para refinar el gas natural antes de distribuirlo para su uso. Las instalaciones de separación de gas [VIDEO]también las usan para extraer nitrógeno y oxígeno de la atmósfera. Este estudio abre la puerta a un uso ampliado de la tecnología de membranas, con la posibilidad de adaptar los dispositivos de filtración, para filtrar una gran cantidad de moléculas gaseosas.

La ventaja de MXene sobre los materiales que se utilizan y desarrollan actualmente para la separación de gases es que tanto su permeabilidad como la selectividad de filtración están vinculadas a su estructura y composición química. Por el contrario, otros materiales de membrana, como el grafeno y la zeolita, solo filtran al atrapar físicamente (o tamizar) las moléculas en pequeñas redes y canales, como una red.

Propiedades de MXenes

Las propiedades especiales de filtración de MXenes existen, porque se crean químicamente grabando capas de una pieza sólida de material, llamada fase MAX. Este proceso forma una estructura que se parece más a una esponja, con poros cortados de varios tamaños. El Grupo de Investigación de Nanomateriales de Gogotsi, que ha estado trabajando con MXenes desde 2011, puede predeterminar el tamaño de los canales, mediante el uso de diferentes tipos de fases MAX y grabarlos con diferentes sustancias químicas.

Los canales mismos se pueden crear de una manera que los hace químicamente activos, por lo que son capaces de atraer o adsorber ciertas moléculas a medida que pasan. Por lo tanto, una membrana MXene funciona más como una red magnética y puede diseñarse para atrapar una amplia variedad de especies químicas a medida que pasan.

"Esta es una de las principales ventajas de MXenes", dijo Gogotsi. "Tenemos docenas de MXenes disponibles, que se pueden sintonizar para proporcionar selectividad a diferentes gases. Utilizamos el carburo de titanio MXene en este estudio, pero hay al menos otras dos docenas de MXenes ya disponibles, y se espera que se estudien más en la próxima pareja de años, lo que significa que podría desarrollarse para una serie de diferentes aplicaciones de separación de gases".

El versátil material bidimensional, que se descubrió en Drexel en 2011, ya ha demostrado su capacidad para mejorar la eficiencia de los dispositivos de almacenamiento eléctrico, evitar la interferencia electromagnética e incluso purificar el agua. Según Gogotsi, el próximo paso lógico era estudiar sus propiedades de separación de gases.

"Nuestro trabajo en filtración de agua, el tamizado de iones y moléculas y supercondensadores, que también involucra el tamizado iónico, sugirió que las moléculas de gas, también pueden ser tamizadas usando membranas MXene con canales atómicamente delgados entre las láminas MXene", dijo. "Sin embargo, carecíamos de experiencia en el campo de la separación de gases. Esta investigación no hubiera sido posible sin nuestros colaboradores chinos, que proporcionaron la experiencia necesaria para lograr el objetivo y demostraron que las membranas MXene pueden separar eficientemente las mezclas de gases".

Para que MXene llegue a las membranas industriales, el grupo de Gogotsi continuará mejorando su durabilidad, estabilidad química y de temperatura y reducirá el costo de producción.