迄今最優！氣體混一起，怎麼高效精準地分離？_風聞

兩種氣體混在一起，怎麼高效精準地分離出？

以氧化石墨烯(GO)為主的石墨烯基材料表現出良好的分離和純化特性。通過利用氣體與石墨烯氧化物通道的相互作用來調整石墨烯氧化物層間距，從而使得孔隙率可以與氣體分子的運動直徑相匹配，那麼使用基於石墨烯氧化物的膜進行精確的分子篩選變得可行。

近日，新南威爾士大學的報道了一種在輕度還原氧化石墨烯(rGO)基膜中利用獨特的定製孔隙度高效分離氣體混合物的方法。氣體滲透實驗、吸附測量和密度泛函理論計算表明，這種膜製備方法可以通過插入特定的過渡金屬離子來調整目標分子的選擇性。相關論文以題為“Effective Separation of CO2 Using Metal‐Incorporated rGO Membranes”發表在Advanced Materials上。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907580

由於低能耗和緊湊的安裝，基於膜的技術對氣體分離特別有吸引力。滲透性和選擇性是評價氣體分離膜性能的兩個主要標準。膜中分子運輸的性質取決於膜材料的孔隙率和類型，可以通過基於溶液擴散、尺寸依賴的分子篩分、克努森擴散和泊肅葉流動的機制來理解。傳統的多孔材料或分子篩對於運動直徑小於孔徑的氣體分子是可滲透的，而較大的氣體分子被排除在膜通道之外。石墨烯氧化膜是一種優異的阻隔膜，具有高滲透性和高選擇性。使用具有選擇性固有缺陷的石墨烯氧基膜分離H2/CO2的選擇性超過3400。

但氧化石墨烯基膜在分離具有相似動力學直徑的氣體分子仍然是一項重要而具有挑戰性的任務。例如，將CO2從N2中分離出來，其具有重要的工業價值，特別是對於緩解目前使用現有的膜技術所面臨的温室氣體排放的挑戰，但目前的方法卻很少能夠實現。幸運的是，過渡金屬基材料具有選擇性N2吸附的潛力。考慮到過渡金屬離子在亞納米級上的易於實現性和孔隙尺寸的有效性，將過渡金屬離子摻入石墨烯氧化膜是改善氮選擇性分離的有效方法。

考慮到過渡金屬對N2的吸附價值，研究者研究了含Fe和Cr的還原氧化石墨烯(rGO)膜的氣體分離膜。研究了rGO基膜在30~75℃温度下的穩定性。此外，利用N2和CO2等温線研究了這些rGO基膜的吸附行為。利用Maxwell-Stefan模型和Knudsen模型全面分析了N2在含Fe(III)的rGO膜(Fe-rGOM)中的擴散過程。尤其是，rGO膜中插入Fe(III)時，提供了有序的孔隙率，在110 mbar時表現出良好的可再生的N2/CO2選擇性，高達97，這是迄今為止得到的最好選擇性的基於石墨烯的膜。通過研究Fe插層rGO膜的影響，Maxwell Stefan和Knudsen擴散都對擴散過程有貢獻，隨着跨膜壓力的增大，N2擴散模式由Maxwell Stefan型向Knudsen型轉變。此外，實驗和DFT計算發現，Fe-rGOM選擇性的提高是由於其對N2的吸收增加，N2在Fe-rGOM上的親和性是由於rGO薄片上分佈良好的Fe位點以及相對於CO2更偏愛N2。

圖1 材料表徵

圖2 膜的吸附行為

圖3 氧化石墨烯基膜的氣體分離性能

圖4 Fe-rGO膜的擴散過程

總的來説，研究者開發了過渡金屬離子結合的rGO膜，該膜具有顯著的N2/CO2選擇性轉運能力。該研究提供了一個低成本但高效的方法來調整氣體分離膜的性能。（文：水生）

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