科学家出奇招——突破储碳极限用石墨烯做“三明治”？

为加强欧盟未来新兴技术领域的研发创新，欧盟在2013年开展了为期十年的“石墨烯旗舰计划”，这也是迄今为止欧盟最大的研发资助项目。功夫不负有心人，随着该计划逐渐推进，各个研究方向也成果喜人。近期，参与这项计划的来自博洛尼亚大学的科学家们公开发声，称他们通过结构设计研发出一种新的气体分离膜，对气体的选择和渗透性已经突破了传统极限值，这项研究可能会在捕捉碳、储碳以及氢气净化方面有所应用。

三明治结构示意图：PEI分子层夹在氧化石墨烯纳米片层之间

市场上常用的气体分离设备主要用于碳捕获和碳储存，目前工业上大部分的分离都是从氢气中分离出二氧化碳。因为氢气通常由天然气或固液燃料气化产生，期间会伴随着大量二氧化碳产生。鉴于氢气使用时对纯度要求很高，所以使用前必须除掉二氧化碳，所以对二氧化碳这种温室气体的捕捉和有效分离具有非常大的市场潜力。

而对于大部分的气体分离膜（通常都是聚合物膜）而言，在进行气体分离时在对气体的高选择性和高渗透性之间存在一个权衡，两者往往不能兼顾，这就是所谓的Robeson上限。但科学家们想了一个办法，他们通过结构设计，将单个氧化石墨烯片与聚合物片结合在一起，形成一个类似三明治的结构，试图克服这种限制，实现气体有效且快速地分离。

那他们是怎么做到的呢？科学家们采用自下而上的方法，用自组装技术将氧化石墨烯和聚乙烯亚胺片（PEI）交替层叠，形成气体分离膜。他们选用氧化石墨烯而不是石墨烯，是因为它的氧化官能团能使它成为水溶性的石墨烯材料，因此与聚乙烯亚胺片形成良好结合，进一步达到划分开单独氧化石墨烯层的目的。

这种三明治结构包括氧化石墨烯层和约2nm厚的超薄聚合物层，氧化石墨烯片会迫使气体分子沿着一个曲折路径扩散进聚乙烯亚胺链内。但其实这些间隔开石墨烯氧化物的聚乙烯亚胺层的厚度也非常重要，它决定着通过膜的气体流量大小。

参与这项研究的Vincenzo Palermo教授说：“通过对传统的标准三维膜进行设计，得到如今的分层聚合物结构，我们在100nm的超薄膜上实现了突破Robeson极限的气体分离。”

更值得注意的是，他们还发现这些膜对各种气体的渗透性在很大程度上取决于气体分子的直径。由此可见这种膜天然具有独特的选择性，再加上三明治结构赋予聚合物膜很好的渗透调节性，因此Robeson上限不再是问题。除此之外，聚乙烯亚胺薄膜的成本比较低，结合这些功能来看，这种气体分离膜在应用中应该具有很高的吸引力，特别适用于大规模生产。

Palermo教授也说，通过石墨烯旗舰计划的多方合作，他们能更好地评估这种聚合物膜进入工厂分离气体的可能性，并且适当推出一些扩展应用。

石墨烯旗舰计划中功能泡沫和涂层项目的领导者Xinliang Feng也对他们这项工作发表了自己的看法，他说：“这次的工作非常具有开创意义，因为他们将二维复合材料结构的概念提升到了一个新的层次。他们使用弱静电力在大面积范围内生产出特定的某种层状材料和一维聚合物层叠体。用这种方法得到的分离膜与传统的二维纳米片在气体分离过程表现大不相同。这项工作证明，我们可以试着通过一些化学手段来构建出复杂结构，实现我们想要的多功能性。”

石墨烯旗舰计划的项目管理主席Andrea C. Ferrari教授补充说：“这是石墨烯旗舰计划如何将研究的最前沿与实际应用相结合的又一个实例。石墨烯类材料在薄膜研究方向上的潜力在很早就得到了认可，不过这项工作让它离工业应用又更近一步。”

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