石墨烯原子孔有望精確篩分氣體，或使空氣中CO?捕獲率超過95%

曼徹斯特大學（University of Manchester）的研究人員發現，通過在原子薄膜上制造原子級孔，有望制造分子篩，可精確、有效地進行氣體分離，包括從空氣中提取二氧化碳。

如果孔徑在膜上是相當于原子和分子的大小，它們可以通過膜，或被“拒絕”，從而可以根據氣體的分子直徑進行分離。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。但是，分離精度和效率之間總是需要權衡取舍：孔徑調節得越細，這種篩子允許的氣體流量就越少。

長期以來，人們一直推測，使用與石墨烯厚度相似的二維膜，可以更好地權衡，實現更好的效果。因為與傳統膜不同，原子級薄的膜應該可以更容易讓氣體流動以獲得相同的選擇性。

曼徹斯特大學的一個研究小組與比利時和中國的科學家合作，使用低能電子在懸浮石墨烯上打出單個原子級的孔。這些孔的尺寸低至約2埃，甚至比最小的原子（如氦和氫）還要小。

研究人員表示，對于氦氣或氫氣等氣體，相對于氮氣、甲烷或氙氣，這些孔實現了幾乎完美的選擇性（優于 99.9%）。此外，相對于二氧化碳，空氣分子（氧氣和氮氣）更容易通過孔隙，二氧化碳的捕獲率超過 95%。

科學家們指出，為了使二維膜實用化，必須找到具有內在孔隙的原子級薄材料，即晶格本身的孔隙。

研究者表示，用于氣體的精密篩子當然是可能實現的，事實上，它們在概念上與用于篩選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意義，現實中需要具有密集孔隙的膜，而不是像研究中為首次證明這一概念而創造的單個孔。只有這樣才能實現工業氣體分離所需的高流量。

目前，研究小組正計劃尋找這種具有大的內在孔隙的二維材料，以找到那些對未來氣體分離技術最有希望的材料。這樣的材料確實存在，例如，有許多石墨烯，它們也是碳的原子薄異構體，但尚未大規模制造。還有些材料看起來像石墨烯，但有更大的碳環，其大小與曼徹斯特研究人員創造和研究的單個孔相似。適當的尺寸或能使石墨烯完美地適用于氣體分離。

題為Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores的相關研究論文發表在《自然-通訊》上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27347-9

標簽： 石墨烯