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石墨烯又一“宝藏功能”被发现了:可精确筛分气体,选择性优于99.9%
材料内参 / 时间:2021-12-10 13:48:42

贤集网12月10日讯:曼彻斯特大学的研究人员发现,通过在原子级薄膜上制造原子级孔洞,应该有可能制造出用于精确有效气体分离的分子筛,包括从空气中提取二氧化碳。

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如果孔径在膜相当于原子和分子的大小,它们可以通过膜或拒绝,根据它们的分子直径允许气体的分离。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。在分离精度和效率之间总是需要权衡:孔径调整得越精细,这种筛子允许的气流越少。

长期以来,人们一直推测,使用厚度与石墨烯相似的二维膜,可以获得比目前可实现的更好的权衡,因为与传统膜不同,原子级薄的膜应该允许更容易的气体流动以实现相同的选择性。

现在,由曼彻斯特大学 Andre Geim 教授领导的研究小组与来自比利时和中国的科学家合作,使用低能电子在悬浮石墨烯中打出单个原子级孔。这些孔的尺寸小到约 2 埃,甚至比最小的原子(如氦和氢)还要小。

在 12 月的《自然通讯》杂志上,研究人员报告说,他们对氦气或氢气等气体相对于氮气、甲烷或氙气实现了几乎完美的选择性(优于 99.9%)。此外,空气分子(氧气和氮气)相对于二氧化碳而言更容易通过孔隙,二氧化碳被捕获 > 95%。

科学家们指出,要使二维膜实用化,必须找到具有固有孔隙的原子级薄材料,即晶格本身内的孔隙。

“气体的精密筛子当然是可能的,事实上,它们在概念上与用于筛分沙子和颗粒材料的筛子没有什么不同。但是,为了使这项技术具有工业相关性,大家需要具有密集间隔孔的膜,而不是在内部产生的单个孔。大家的研究首次证明了这一概念。只有这样才能实现工业气体分离所需的高流量,”该论文的第一编辑 Pengzhan Sun 博士说。

研究小组现在计划寻找这种具有大内在孔隙的二维材料,以找到最有希翼用于未来气体分离技术的材料。这样的材料确实存在。例如,有各种石墨烯,它们也是碳原子级薄的同素异形体,但尚未大规模生产。它们看起来像石墨烯,但具有更大的碳环,其大小与曼彻斯特研究人员创造和研究的单个缺陷相似。合适的尺寸可以使石墨烯非常适合气体分离。



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