科學家研發具有二氧化碳選擇性的多孔單層石墨烯膜

在一項有望徹底改變碳捕集技術的突破性進展中，研究人員成功開發出可規模化制備多孔單層石墨烯膜的新方法，該材料對二氧化碳具有卓越的選擇性。這項以《可規模化制備的二氧化碳選擇性多孔單層石墨烯膜》為題于近期發表在《自然·化學工程》期刊的研究成果，通過實現工業廢氣中二氧化碳的高效低成本分離，為應對日益嚴峻的全球碳排放挑戰開辟了新途徑。該技術突破的影響遠超實驗室成功，為全球碳捕集與利用戰略的變革性應用奠定了基礎。

石墨烯是一種由單層碳原子以六方晶格排列構成的二維材料，歷來以其卓越的機械強度、導電性和熱學性能著稱。然而，如何利用這些特性實現氣體分離——特別是在原子尺度上定制僅允許特定分子通過的薄膜——始終是難以攻克的目標。本研究展示可重復、可擴展的具有工程化孔隙的石墨烯膜制備技術取得重大突破，這種薄膜能精確地從混合氣體中篩分二氧化碳分子，其選擇性和滲透率可能超越現有膜技術。

該技術的核心是在石墨烯片上創建納米級孔隙。這些孔隙作為分子篩，其尺寸經過精確校準以匹配二氧化碳分子的動力學直徑。實現這種尺度的均勻性需要精密制造技術，在保持單層石墨烯結構完整性的同時確保孔隙穩定性。研究團隊采用先進化學氣相沉積（CVD）工藝結合可控缺陷工程，成功制備出在保持高氣體通量同時不犧牲選擇性的薄膜——這是材料科學家多年來難以實現的微妙平衡。

這種選擇性滲透的意義非同尋常。傳統薄膜往往面臨滲透性（氣體通過速率）與選擇性（區分不同分子的能力）之間的權衡。新技術突破了被稱為“羅伯森上限”的理論極限——該極限定義了膜材料這兩種特性的最優組合。由此，新型多孔石墨烯膜有望大幅降低碳分離的能耗需求，使工業級碳捕集具備經濟可行性。

在全球氣候目標背景下，從煙囪等排放源高效捕集二氧化碳分子的技術至關重要。該合成方法的可擴展性尤其值得關注，它解決了石墨烯膜商業化部署中最棘手的難題：制備無缺陷且性能穩定的大面積薄膜。研究團隊的方法支持晶圓級合成，表明這些薄膜可最小化改造地集成到現有氣體分離系統中。

除合成工藝外，研究還深入分析了薄膜在工業混合氣體中的性能特征。嚴格測試表明，多孔石墨烯膜在氮氣、甲烷等背景氣體存在時仍保持穩定的二氧化碳分子選擇性，驗證了其在實際工況下的可靠性。這些發現凸顯了該薄膜在天然氣提質、沼氣凈化和燃燒后碳捕集等需要選擇性脫除二氧化碳分子領域的適用性。

從材料科學角度看，對孔隙形成與穩定性的微觀理解是本研究的突出特點。借助高分辨率電子顯微鏡和光譜分析，團隊發現工程化孔隙邊緣修飾的官能團能增強二氧化碳分子吸附而不阻礙其通過。這種雙功能作用優化了分離過程的熱力學和動力學特性，正是這種精妙相互作用造就了薄膜的卓越性能。

針對薄膜耐久性問題，研究顯示多孔石墨烯層具有優異的機械韌性。盡管具有亞納米級孔隙，這些薄膜仍展現出與工業處理和操作應力相適應的抗拉強度與柔韌性。這種耐久性對延長使用壽命、降低維護成本至關重要，從而提升分離過程的整體可持續性。

研究還揭示了孔隙尺寸分布與密度的可調性。通過系統調整"CVD 工藝中的前驅體氣體組成和基底處理，研究人員實現了對孔隙數量和尺寸的調控，可定制化設計適用于二氧化碳分子以外特定氣體分離的薄膜。這種自適應能力使多孔石墨烯膜成為氣體處理行業的通用平臺技術。

大規模部署這種薄膜可能產生深遠的環境影響。在全球碳排放持續攀升的當下，亟需高效且經濟可擴展的碳捕集方法作為減排補充。通過降低二氧化碳分子分離的能耗門檻，多孔單層石墨烯膜有望加速工業過程碳中和轉型，助力全球可持續脫碳進程。

該研究還為石墨烯膜與其他先進材料、分離技術的未來集成鋪平道路。將石墨烯本征特性與催化功能或混合膜結構相結合，可能開發出能同步捕獲轉化二氧化碳分子的多功能平臺，進一步提升經濟可行性與環境效益。

關于成本問題，研究人員強調該可擴展合成工藝可利用現有工業制造基礎設施，最大限度減少對特殊設備或稀有材料的需求。這種實用性可加速技術轉化，縮短從實驗室成果到商業化應用的周期——這一直是制約石墨烯基分離技術發展的瓶頸。

研究還對二維材料缺陷工程提供了基礎性見解。通過精確操控原子級缺陷，證明通常被視為有害的缺陷可被創造性利用來調控材料特性。這一范式轉變為材料科學家定制二維材料提供了新工具。

這項技術進步恰逢政策與市場日益激勵碳捕集解決方案之際。隨著全球監管框架趨嚴和碳定價機制推廣，對高性價比、高性能分離技術的需求激增。兼具可擴展性和卓越性能的多孔石墨烯膜，正迎來最佳發展機遇。

展望未來，研究人員規劃了進一步優化的路徑，包括通過分子動力學模擬優化孔隙幾何結構以增強對特定氣體的選擇性，并建議開展變溫變壓測試以拓展應用范圍，確保薄膜在多樣化工業場景中的可靠性。

總之，可規模化制備的二氧化碳分子選擇性多孔單層石墨烯膜代表著膜科學與技術的革命性飛躍。通過將納米級精度與工業可行性相結合，這項創新有望重塑碳捕集技術格局，推動我們邁向由先進材料工程支撐的可持續未來。

（編譯自"Bioengineer.org 網站）