ИСТИНА

В работе представлены результаты теоретического и практического исследования механизмов массопереноса через мембраны, образованные из слоев квазидвумерных соединений, обладающих гидрофильной (оксид графена, слоистые карбиды титана, дисульфид молибдена) и гидрофобной поверхностью (графен, нанолисты CdTe в оболочке олеиновой кислоты). Изучены механизмы транспорта в данных системах и показана возможность реализации процессов разделения компонентов по механизмам конфигурационной диффузии, транспорта с переносчиками и капиллярной конденсации в межслоевом пространстве. С использованием данных классов мембран установлена возможность эффективного разделения в парах H2O/N2, H+/H2O, H2/CH4, NH3/H2, C4H10/CH4 и др. В ходе работ достигнуты рекордные показатели проницаемости и селективности тонких (50-200 нм) селективных слоев модифицированного оксида графена по парам воды (P(H2O) ~100 м3/(м2•бар•ч); S(H2O/N2) > 1.0•105), а также продемонстрирована высокая производительность мембран в процессах осушения газов (более 30 м3/(м2•ч) по сырьевому газу) и первапорационного опреснения (до 10 кг/(м2•ч) при 60 °C). Для установления особенностей транспорта в нанощелях были использованы методы in situ и in operando мониторинга межслоевого расстояния с применением синхротронного излуче-ния. Обнаружено, что механизм транспорта изменяется по мере сорбции пенетранта и увеличе-ния межплоскостного расстояния, что связано с изменением энтропийного фактора и активаци-онного барьера диффузии. На величину активационного барьера также значительно влияет плотность функциональных групп на поверхности нанолистов. Показано, что транспорт моле-кул воды через сильно окисленный оксид графена (C/O ≈ 1.8) проходит значительно легче, чем через восстановленную форму (C/O ≈ 2.1) и существенно затрудняется при интеркаляции ионов в межслоевое пространство. Энергии активации транспорта были экспериментально определены на основе температурных зависимостей проницаемости и ширины нанощели в процессах транс-порта паров и первапорациии подтверждены теоретически с помощью полуэмпирических моде-лей. Показано, что контролируемое изменение межплоскостного расстояния с помощью моле-кул-спейсеров или фиксация размеров щели между нанолистами с помощью интеркалирован-ных ионов или молекул, а также изменения химического состава оксида графена позволяет со-здавать мембранные материалы с заданными транспортными характеристиками. Кроме того, изменение межслоевого расстояния с помощью внешних воздействий (с помощью температур-но-контролируемой адсорбции или конфигурации спейсеров) позволяет регулировать произво-дительность таких мембран непосредственно в процессе эксплуатации, что открывает путь к созданию новых классов “умных” мембранных материалов. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, грант № 23-13-00195.