在石墨烯中使用纳米孔来分离空气

日本信州大学和法国PSL大学的科学家们在理论上证明了石墨烯上的纳米孔（命名为“纳米导入体”）可以选择性让某种类型的空气分子可以通过。这为创建先进的分子分离膜技术带来了新的可能性。

文章转载自公众号：智识咨询

与你家的窗户不同，石墨烯上的纳米孔（命名为“纳米导入体”）可以选择性让某种类型的空气分子可以通过。

日本信州大学和法国PSL大学的科学家们在理论上证明了纳米墙的一致运动能够以高效节能的方式选择性地让分子通过（Nature Communications，'Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion'）。这为创建先进的分子分离膜技术带来了新的可能性。

纳米导入的分离机理是纳米压入边缘的原子振动改变了有效纳米线的尺寸。当一边的边缘偏离而另一边偏离相反的方向时，有效纳米线的尺寸变得比边缘不移动时大。这种效应对于氧气、氮气和氩气的分子是非常重要的，从而引起空气中氧气的有效分离。

图：O2通过石墨烯渗透

该研究考虑了空气主要成分的分离：氧气、氮气和氩气。他们有很高的工业需求; 创新的空气分离技术受到高度关注。氧、氮和氩的分子大小分别为0.299,0.305和0.363纳米（nm）。研究人员比较了这些分子在6种不同尺寸的纳米导入物（0.257纳米，0.273纳米，0.297纳米，0.330纳米，0.370纳米和0.378纳米）上的渗透。

Nanowindows通过氧化处理制备。因此它们的边缘被氢和氧原子钝化，这对于选择性渗透具有重要作用。令人惊讶的是，即使当刚性纳米厚度尺寸小于目标分子尺寸时，分子也通过纳米导入渗透。例如，O- 2通过0.29nm nanowindows大于0.33nm nanowindows渗透速度更快。渗透速率的差异与分子与纳米环和石墨烯的相互作用有关。

该机制是利用氧和氢在纳米线轮缘处的相互作用能量和振动运动来解释的。在纳米尺度上，来自纳米线轮缘的具有氢和氧原子的局部电场足够大以确定氧和氮分子的取向，从而通过比氧分子小的纳米线而提供高度选择性的渗透。这种选择性敏感地取决于气体分子的结构和性质以及纳米导入的几何形状（大小和形状）和边缘化学性质。

由热振动引起的纳米周缘的氢原子和氧原子的一致取向运动使窗口的有效尺寸变化约0.01nm。在纳米线轮缘处的协同振动可以打开纳米线以获得优选的分子（在这种情况下为氧气）。

本研究对混合气体渗透进行了评价，以测定其选择性。在室温下，O2/N2和O2/Ar的分离效率分别超过50和1500。目前的膜对O2/N2的渗透率达到了6%，但同时缺乏较高的透过率。这表明在石墨烯中动态纳米导入的可能性很大。

目前工业中的空气分离使用蒸馏，这消耗了大量的能量。本研究中使用的气体广泛用于各种行业，如医疗、食品、汽车等。嵌入式动态纳米导入石墨烯的开发将节省大量能源，并提供更安全、高效的工艺。这项研究显示了空气分离的未来方向。