通過石墨烯中的原子孔精確篩分氣體

曼徹斯特大學的研究人員發現，通過在原子級薄膜上制造原子級孔洞，應該有可能制造出用于精確有效氣體分離的分子篩，包括從空氣中提取二氧化碳。

如果孔徑在膜相當于原子和分子的大小，它們可以通過膜或拒絕，根據它們的分子直徑允許氣體的分離。工業氣體分離技術廣泛使用這一原理，通常依賴于具有不同孔隙率的聚合物膜。在分離精度和效率之間總是需要權衡：孔徑調整得越精細，這種篩子允許的氣流越少。

長期以來，人們一直推測，使用厚度與石墨烯相似的二維膜，可以獲得比目前可實現的更好的權衡，因為與傳統膜不同，原子級薄的膜應該允許更容易的氣體流動以實現相同的選擇性。

現在，由曼徹斯特大學AndreGeim教授領導的研究小組與來自比利時和中國的科學家合作，使用低能電子在懸浮石墨烯中打出單個原子級孔。這些孔的尺寸小到約2埃，甚至比最小的原子(如氦和氫)還要小。

在12月出版的《自然通訊》雜志上，研究人員報告說，他們對氦氣或氫氣等氣體相對于氮氣、甲烷或氙氣的選擇性幾乎完美(優于99.9%)。此外，空氣分子(氧氣和氮氣)相對于二氧化碳而言更容易通過孔隙，二氧化碳被捕獲>95%。

科學家們指出，要使二維膜實用化，必須找到具有固有孔隙的原子級薄材料，即晶格本身內的孔隙。

“氣體的精密篩子當然是可能的，事實上，它們在概念上與用于篩分沙子和顆粒材料的篩子沒有什么不同。然而，為了使這項技術具有工業相關性，我們需要具有密集間隔孔的膜，而不是在內部產生的單個孔我們的研究首次證明了這一概念。只有這樣才能實現工業氣體分離所需的高流量，”該論文的第一作者PengzhanSun博士說。

研究小組現在計劃尋找這種具有大內在孔隙的二維材料，以找到最有希望用于未來氣體分離技術的材料。這樣的材料確實存在。例如，有各種石墨烯，它們也是碳原子級薄的同素異形體，但尚未大規模生產。它們看起來像石墨烯，但具有更大的碳環，其大小與曼徹斯特研究人員創造和研究的單個缺陷相似。合適的尺寸可以使石墨烯非常適合氣體分離。