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石墨烯原子孔有望精确筛分气体,或使空气中CO₂捕获率超过95%

前瞻网 2022-01-26 09:54

 

石墨烯原子孔有望精确筛分气体,或使空气中CO₂捕获率超过95%_产经_前瞻经济学人

 

曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究人员发现,通过在原子薄膜上制造原子级孔,有望制造分子筛,可精确、有效地进行气体分离,包括从空气中提取二氧化碳。

如果孔径在膜上是相当于原子和分子的大小,它们可以通过膜,或被“拒绝”,从而可以根据气体的分子直径进行分离。工业气体分离技术广泛使用这一原理,通常依赖于具有不同孔隙率的聚合物膜。但是,分离精度和效率之间总是需要权衡取舍:孔径调节得越细,这种筛子允许的气体流量就越少。

长期以来,人们一直推测,使用与石墨烯厚度相似的二维膜,可以更好地权衡,实现更好的效果。因为与传统膜不同,原子级薄的膜应该可以更容易让气体流动以获得相同的选择性。

曼彻斯特大学的一个研究小组与比利时和中国的科学家合作,使用低能电子在悬浮石墨烯上打出单个原子级的孔。这些孔的尺寸低至约2埃,甚至比最小的原子(如氦和氢)还要小。

研究人员表示,对于氦气或氢气等气体,相对于氮气、甲烷或氙气,这些孔实现了几乎完美的选择性(优于 99.9%)。此外,相对于二氧化碳,空气分子(氧气和氮气)更容易通过孔隙,二氧化碳的捕获率超过 95%。

科学家们指出,为了使二维膜实用化,必须找到具有内在孔隙的原子级薄材料,即晶格本身的孔隙。

研究者表示,用于气体的精密筛子当然是可能实现的,事实上,它们在概念上与用于筛选沙子和颗粒材料的筛子没有什么不同。然而,为了使这项技术具有工业意义,现实中需要具有密集孔隙的膜,而不是像研究中为首次证明这一概念而创造的单个孔。只有这样才能实现工业气体分离所需的高流量。

目前,研究小组正计划寻找这种具有大的内在孔隙的二维材料,以找到那些对未来气体分离技术最有希望的材料。这样的材料确实存在,例如,有许多石墨烯,它们也是碳的原子薄异构体,但尚未大规模制造。还有些材料看起来像石墨烯,但有更大的碳环,其大小与曼彻斯特研究人员创造和研究的单个孔相似。适当的尺寸或能使石墨烯完美地适用于气体分离。

题为Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores的相关研究论文发表在《自然-通讯》上。

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责任编辑: 4162SKX

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