通过石墨烯中的原子孔精确筛分气体

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。

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AndreGeim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月出版的《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、甲烷或氙气的选择性几乎完美(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。然而，为了使这项技术具有工业相关性，我们需要具有密集间隔孔的膜，而不是在内部产生的单个孔我们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，”该论文的第一作者PengzhanSun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，以找到最有希望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。