Химический дизайн высокоэффективных мембран на основе оксида графена для процессов осушения газов

Проект направлен на экспериментальное установление взаимосвязи микроструктуры, химического состава и предыстории получения композиционных мембран на основе оксида графена с их газотранспортными характеристиками, разработку модели протекания постоянных и конденсирующихся газов через такие мембраны и развитие способов направленной модификации мембран для создания высокоэффективных мембранных материалов для осушения газовых смесей. Для решения задач будет использован междисциплинарный подход основанный на химическом дизайне наноструктурированых мембран, исследовании их физико-химических характеристик и сопоставлении полученных экспериментальных данных с результатами моделирования. В работе будут сформированы ультратонкие мембраны на основе оксида графена с различным размером частиц, полученных окислением терморасширенного и среднечешуйчатого графита методами Хаммерса и Броди, а также раскрытием нанотрубок. Осаждение селективных слоев будет осуществляться на суппорты анодного оксида алюминия с различным диаметром пор в диапазоне 10-100 нм. Будут установлены ключевые корреляции газотранспортных характеристик с параметрами микроструктуры и химического состава мембран на основе оксида графена. Впервые будут проведены дифракционные operando исследования процессов массопереноса газов и паров воды через мембраны оксида графена при различных градиентах парциальных давлений, полном перепаде давления и температуре. Экспериментальные данные будут сопоставлены с результатами моделирования транспорта молекул воды между слоями и через слой оксида графена полуэмпирическими методами с полной оптимизацией геометрии структуры. Будут установлены ключевые механизмы транспорта и построена модель массопереноса газов в селективных слоях оксида графена. На основании этих результатов будут разработаны подходы к увеличению проницаемости мембран на основе оксида графена путем модификации межслоевого пространства. Будут сформированы и исследованы мембраны модифицированные внедрением замещенных фуллеренов между слоями, также мембраны оксида графена с химически связанными слоями и исследована их газопроницаемость в различных внешних условиях. На основании выполненных фундаментальных исследований будут разработаны методы нанесения оксида графена на гидрофильные полимерные половоконные или трубчатые керамические мембраны с целью создания промышленно-применимых образцов композиционных мембран для осушения газов с плотностью упаковки до 2000 м2/м3, что определяет актуальность и инновационный потенциал проекта. Будут разработаны и протестированы схемы осушения газов с использованием промышленно-применимых образцов композиционных мембран, а также разработаны рекомендации для промышленного применения мембран на основе оксида графена.