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Crown Ether Nanopores in Graphene Membranes for Highly Efficient CO2/CH4 and CO2/CO Separation: A Theoretical Study

选择性 石墨烯 气体分离 纳米孔 冠醚 材料科学 化学工程 乙醚 分子动力学 化学 分析化学(期刊) 纳米技术 有机化学 计算化学 催化作用 离子 生物化学 工程类
作者
Tian Wang,Shuming Zeng,Zonglin Gu
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (13): 12372-12380 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c02075
摘要

Gas separation is a critical step in various applications, e.g., industrial separation and purification and carbon capture and separation, although it remains challenging due to the presence of impurities in the end product, even with state-of-the-art separation membranes. In this study, we demonstrate, using a molecular dynamics simulation approach, that graphene membranes embedded with crown ether nanopores exhibit unprecedented separation efficiency for CO2/CH4 and CO2/CO. Our investigation of the performance of three crown ether pores reveals that Pore-2 enables rapid transport of CO2 while effectively blocking CH4/CO in most cases, resulting in remarkably high selectivity. In CO2/CH4 mixtures, the perfect selectivity and exceptional CO2 transport are achieved through a combination of two gases size difference and robust trapping of CO2 by Pore-2. For CO2/CO mixtures, the subtle difference in electrostatic interaction between Pore-2 and the two gases, with the carbon in CO2 possessing a higher positive charge than that in CO, is responsible for the selective separation of CO2/CO. The separation capacity of Pore-2 under different gas feed ratios and temperatures undergoes a slight performance reduction in some cases. Our findings highlight the superior performance of graphene crown ether nanopores for CO2/CH4 and CO2/CO separation, suggesting their potential as advanced gas sieving membranes.
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