Overcoming humidity-induced swelling of graphene oxide-based hydrogen membranes using charge-compensating nanodiamonds

材料科学 石墨烯 化学工程 氧化物 湿度 渗透 纳米技术 肿胀 的 复合材料 化学 有机化学 物理 工程类 冶金 热力学 生物化学
作者
Guoji Huang,Behnam Ghalei,Ali Pournaghshband Isfahani,H. Enis Karahan,Daiki Terada,Detao Qin,Conger Li,Masahiko Tsujimoto,Daisuke Yamaguchi,Kunihisa Sugimoto,Ryuji Igarashi,Bor Kae Chang,Tao Li,Masahiro Shirakawa,Easan Sivaniah
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:6 (12): 1176-1187 被引量:57
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00946-y
摘要

Graphene oxide (GO) can form ultrapermeable and ultraselective membranes that are promising for various gas separation applications, including hydrogen purification. However, GO films lose their attractive separation properties in humid conditions. Here we show that incorporating positively charged nanodiamonds (ND+s) into GO nanolaminates leads to humidity-resistant, yet high-performing, membranes. While native GO membranes fail at a single run, the GO/ND+ composite retains up to roughly 90% of GO’s H2 selectivity against CO2 after several cycles under an aggressive humidity test. The addition of negatively charged ND to GO brought no such stabilization, suggesting that charge compensation acts as the main mechanism conferring humidity resistance, where ND+s neutralize the negative charge GO sheets. We observed a similar but inferior stabilization effect when positively charged polyhedral oligomeric silsesquioxane replaces ND+. The demonstrated material platform offers a solution for separating H2 gas from its usually humid mixtures generated from fossil fuel sources or water splitting.
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