[논문 리뷰] Graphdiyne based membranes: exceptional performances for helium separation applications

Massimiliano Bartolomei, Estela Carmona‐Novillo외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 15.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 43인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 서브-나노미터 구멍을 지닌 그래프디아이아인 기반 막을 헬륨 분리에 매우 효과적인 재료로 제안한다. 이는 뛰어난 헬륨 투과도와 선택성을 가능하게 한다. 양자 역학적 시뮬레이션 결과, He/CH₄ 선택도는 현재 산업용 막을 훨씬 뛰어나며, 저온에서 ³He/⁴He 동위원소 분리 가능성도 높다 (20 K에서 선택도 ~6).

ABSTRACT

Graphdiyne is a novel two-dimensional material deriving from graphene that has been recently synthesized and featuring uniformly distributed sub-nanometer pores. We report accurate calculations showing that graphdiyne pores permit an almost unimpeded helium transport which can be used for its chemical and isotopic separation. Exceptionally high He/CH_4 selectivities are found which largely exceed the performance of the best membranes used to date for extraction from natural gas. Moreover, by exploiting slight differences in the tunneling probabilities of ^3He and ^4He, we also find promising results for the separation of the Fermionic isotope at low temperature.

연구 동기 및 목표

• 천연가스에서 헬륨 분리에 적합한 그래프디아이아인과 2DPPH를 두 가지 2차원 막으로 평가하기.
• 증가하는 수요와 공급 부족으로 인한 에너지 효율적인 헬륨 회수의 필수성 해결하기.
• 양자 터널링 효과를 이용한 그래프디아이아인의 헬륨 동위원소(³He 및 ⁴He) 분리 잠재력 탐구하기.
• 그래프디아이아인의 성능을 2DPPH와 비교하여 헬륨에 대한 우월한 투과 특성 규명하기.
• 그래프디아이아인 구멍을 통한 기체 이동을 정확하게 시뮬레이션하기 위한 신뢰할 수 있는 힘장 설정 수립하기.

제안 방법

• 가스와 그래프디아이아인 구멍 사이의 상호작용 장벽을 결정하기 위해 아비니오 MP2C 전자 구조 계산 수행.
• 주기적 DFT 계산 및 분자 간 잠재력 피팅을 통해 양자 시뮬레이션을 위한 신뢰할 수 있는 고전적 힘장 구축.
• 시간에 따라 변화하는 파동패킷 방법을 사용한 양자역학적 시뮬레이션을 적용하여 He, Ne, CH₄ 및 헬륨 동위원소의 투과 확률 계산.
• 운동 에너지에 대해 고전적 보른분포를 사용하여 열적으로 가중된 투과 확률 계산하며, 양자 통계 보정 적용.
• 100% 다공도 및 3 bar 압력 조건을 가정하여 기체 운동론 이론을 사용해 헬륨 유량 추정.
• 다양한 온도 범위에서 투과 확률을 기반으로 선택도 비율(예: He/CH₄, ³He/⁴He) 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래프디아이아인 구멍은 2DPPH 구멍보다 헬륨 투과도와 선택도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 헬륨의 그래프디아이아인 구멍을 통한 양자 투과 확률은 어떻게 온도에 따라 변화하는가?
• RQ3 그래프디아이아인 막은 양자 터널링 효과를 통해 ³He를 ⁴He보다 높은 선택도로 분리할 수 있는가?
• RQ4 계산된 선택도는 헬륨 회수의 산업 성능 기준과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 실제 압력 및 온도 조건에서 이상적인 그래프디아이아인 막을 통과하는 헬륨 유량은 얼마인가?

주요 결과

• 그래프디아이아인은 몇 십 meV 정도의 낮은 헬륨 통과 장벽을 보이며, 2DPPH보다 훨씬 높은 효율성으로 헬륨 이동 가능.
• 실온에서 He/CH₄ 선택도는 1000을 초과하며, 넓은 온도 범위에서 높은 선택도 유지되며 기존 막의 성능을 크게 뛰어넘음.
• 열적으로 가중된 시뮬레이션 결과, 77 K에서 ³He/⁴He 선택도는 약 1.04이며, 약 20 K에서 6으로 증가함.
• 77 K에서 추정된 헬륨 유량은 약 ~3.7 × 10⁻³ mol cm⁻² s⁻¹이며, 20 K에서는 ~1.5 × 10⁻⁸ mol cm⁻² s⁻¹로 감소하여 투과도 1.5 × 10⁻⁸ mol cm⁻² s⁻¹ bar⁻¹에 해당함.
• 20 K에서의 투과도는 산업 기준인 6.7 × 10⁻⁸ mol cm⁻² s⁻¹ bar⁻¹보다 略로 낮지만, 최적화 가능성을 시사함.
• 비대칭성 증가에 따라 반데르발스 반지름 증가에 따라 He/Ar, He/Kr, He/N₂ 분리에 유리한 선택도 예측됨.