多孔石墨烯膜通道改变气体分子流动方式来同时提高选择性和渗透性
转载自：高分子科学前沿
当气体分离膜较厚时，气体分子与通道壁之间的相互作用会阻碍气体的渗透，同时混合气体分子之间会在较长的渗透通道内发生大量的碰撞，导致线性动量会从较轻的分子转移到较重的分子，形成的集体流动会大幅度削减膜的分离能力。为了解决这一问题，瑞士苏黎世理工学院hyung gyu park教授研究团队在超薄双层石墨烯膜上通过离子束造孔制备得到了具有不同孔径的多孔石墨烯薄膜，由于原子级厚度的石墨烯膜中分离通道很短，分子与通道壁之间的相互作用可以忽略不计，可以大幅度提高气体的渗透率；同时当石墨烯膜上的孔径小于气体分子自由程(λ)时，通道内部分子间的碰撞效应也消失(无线性动量传递)，因此可以大大提高气体的选择性。
研究结果显示气体分子在小孔径(＜ 50 nm)石墨烯薄膜中以自由分子(溢出)机制进行传输，此时气体分子的渗透率完全取决于分子撞击(分离)孔的概率，因此气体分子在小孔径石墨烯薄膜中渗透率与气体分子的平均热速度成正比。分子的平均热速度与分子量直接相关，因而多孔石墨烯薄膜中可以依靠分子间的分子量差异来进行选择性渗透，测试结果表明以孔径 = 7.6 nm，孔隙率 = 4 %的石墨烯薄膜对h2/co2混合气体进行分离，h2的渗透率和h2/co2分离系数分别可以达到10-2 mol m-2 s-1 pa-1和10，综合性能远超多孔聚合物和无机气体分离膜。
这项研究表明利用原子级厚度的多孔石墨烯薄膜，可以通过调节孔的结构(大小)来从本质上改变气体分子渗透机制，进而来同时提高选择性和渗透性，大大提升了气体分离的效率，这对于石墨烯以及衍生的二维材料薄膜在气体分离领域的进一步发展具有重要的指导意义。研究以题为“ultimate permeation across atomically thin porous graphene”的论文发表在《science》期刊上(后附原文链接)。
图1.不同孔径大小石墨烯薄膜的制备和表征
图2.a多孔石墨烯薄膜内部n2渗透机制对孔径大小的依赖性；b. n2渗透率随孔径的变化；c.气体选择性与孔大小和分子量的关系选择性；d. h2/co2分离系数随孔大小的变化；e. h2/co2分离效果与其它分离膜的对比
参考文献：
celebi, k., buchheim, j., wyss, r. m., droudian, a., gasser, p., shorubalko, i., … park, h. g. (2014). ultimate permeation across atomically thin porous graphene. science, 344(6181), 289–292.
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/344/6181/289