Výzkumný tým z CATRIN Univerzity Palackého a VŠB-Technické univerzity Ostrava přišel ve spolupráci s kolegy z americké Pacific Northwest National Laboratory a indického Institute of Technology Jammu s novým řešením pro oddělování vzácných plynů v podobě dvourozměrných dusíkem dopovaných grafenových materiálů. Ty mají potenciál snížit náklady na produkci vzácných plynů, čímž by mohly revolučně změnit průmyslové procesy. Navíc otevírají nové možnosti pro využití v medicíně, například při skladování a transportu terapeutických plynů. Práci publikoval časopis Small.
„Integrovat dusík velmi přesně do struktury grafenu jsme dokázali díky dlouhodobým zkušenostem s 2D chemií fluorografenu v CATRIN. Materiály získaly touto úpravou unikátní vlastnosti, včetně ‚nano-kanálů‘ a zabudování atomů dusíku do struktury grafenu v různých poměrech, které výrazně zvyšují schopnost separovat xenon od kryptonu,“ uvedla jedna z autorek článku Veronika Šedajová.
Teoretické výpočty provedené na superpočítači KAROLINA v Ostravě a experimenty z amerických a indických laboratoří ukázaly, že tyto materiály mají až o 50 procent vyšší selektivitu pro xenon ve srovnání s kryptonem. Tento jev je způsoben silnějšími nekovalentními interakcemi mezi xenonem a dusíkem v grafenové mřížce, což umožňuje lepší adsorpci vzácných plynů a tím i jejich oddělování. Kromě toho byly syntetizovány i další varianty dusíkem dopovaného grafenu s použitím ekologicky šetrného rozpouštědla, které umožnilo další ladění vlastností materiálů.
Vzácné plyny jako xenon a krypton hrají klíčovou roli v mnoha moderních technologiích, například v lékařské diagnostice, výrobě polovodičů nebo vesmírném průmyslu. Xenon je však extrémně vzácný, tvoří pouhých 0,08 ppm v atmosféře a jeho získávání je energeticky i finančně náročné. Současné metody, jako kryogenní destilace vzduchu, jsou velmi neefektivní, a proto vědci intenzivně hledají nové způsoby, jak tyto vzácné plyny efektivně oddělovat.
„Tento výzkum potvrzuje, že moderní materiálová chemie může být klíčem k řešení globálních výzev, jako je efektivní využívání vzácných zdrojů, a zároveň přispět k udržitelnému rozvoji průmyslu i vědy. Ostatně jeden z použitých dusíkem dopovaných derivátů grafenu má již nyní své uplatnění v řadě jiných oblastí, například pro ukládání elektrické energie v superkondenzátorech,“ doplnil další z autorů článku a vedoucí CATRIN-RCPTM Michal Otyepka.