為加強歐盟未來新興技術(shù)領域的研發(fā)創(chuàng)新，歐盟在2013年開展了為期十年的“石墨烯旗艦計劃”，這也是迄今為止歐盟最大的研發(fā)資助項目。功夫不負有心人，隨著該計劃逐漸推進，各個研究方向也成果喜人。近期，參與這項計劃的來自博洛尼亞大學的科學家們公開發(fā)聲，稱他們通過結(jié)構(gòu)設計研發(fā)出一種新的氣體分離膜，對氣體的選擇和滲透性已經(jīng)突破了傳統(tǒng)極限值，這項研究可能會在捕捉碳、儲碳以及氫氣凈化方面有所應用。
三明治結(jié)構(gòu)示意圖：PEI分子層夾在氧化石墨烯納米片層之間
市場上常用的氣體分離設備主要用于碳捕獲和碳儲存，目前工業(yè)上大部分的分離都是從氫氣中分離出二氧化碳。因為氫氣通常由天然氣或固液燃料氣化產(chǎn)生，期間會伴隨著大量二氧化碳產(chǎn)生。鑒于氫氣使用時對純度要求很高，所以使用前必須除掉二氧化碳，所以對二氧化碳這種溫室氣體的捕捉和有效分離具有非常大的市場潛力。
而對于大部分的氣體分離膜（通常都是聚合物膜）而言，在進行氣體分離時在對氣體的高選擇性和高滲透性之間存在一個權(quán)衡，兩者往往不能兼顧，這就是所謂的Robeson上限。但科學家們想了一個辦法，他們通過結(jié)構(gòu)設計，將單個氧化石墨烯片與聚合物片結(jié)合在一起，形成一個類似三明治的結(jié)構(gòu)，試圖克服這種限制，實現(xiàn)氣體有效且快速地分離。
那他們是怎么做到的呢？科學家們采用自下而上的方法，用自組裝技術(shù)將氧化石墨烯和聚乙烯亞胺片（PEI）交替層疊，形成氣體分離膜。他們選用氧化石墨烯而不是石墨烯，是因為它的氧化官能團能使它成為水溶性的石墨烯材料，因此與聚乙烯亞胺片形成良好結(jié)合，進一步達到劃分開單獨氧化石墨烯層的目的。
這種三明治結(jié)構(gòu)包括氧化石墨烯層和約2nm厚的超薄聚合物層，氧化石墨烯片會迫使氣體分子沿著一個曲折路徑擴散進聚乙烯亞胺鏈內(nèi)。但其實這些間隔開石墨烯氧化物的聚乙烯亞胺層的厚度也非常重要，它決定著通過膜的氣體流量大小。
參與這項研究的Vincenzo Palermo教授說：“通過對傳統(tǒng)的標準三維膜進行設計，得到如今的分層聚合物結(jié)構(gòu)，我們在100nm的超薄膜上實現(xiàn)了突破Robeson極限的氣體分離。”
更值得注意的是，他們還發(fā)現(xiàn)這些膜對各種氣體的滲透性在很大程度上取決于氣體分子的直徑。由此可見這種膜天然具有獨特的選擇性，再加上三明治結(jié)構(gòu)賦予聚合物膜很好的滲透調(diào)節(jié)性，因此Robeson上限不再是問題。除此之外，聚乙烯亞胺薄膜的成本比較低，結(jié)合這些功能來看，這種氣體分離膜在應用中應該具有很高的吸引力，特別適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
Palermo教授也說，通過石墨烯旗艦計劃的多方合作，他們能更好地評估這種聚合物膜進入工廠分離氣體的可能性，并且適當推出一些擴展應用。
石墨烯旗艦計劃中功能泡沫和涂層項目的領導者Xinliang Feng也對他們這項工作發(fā)表了自己的看法，他說：“這次的工作非常具有開創(chuàng)意義，因為他們將二維復合材料結(jié)構(gòu)的概念提升到了一個新的層次。他們使用弱靜電力在大面積范圍內(nèi)生產(chǎn)出特定的某種層狀材料和一維聚合物層疊體。用這種方法得到的分離膜與傳統(tǒng)的二維納米片在氣體分離過程表現(xiàn)大不相同。這項工作證明，我們可以試著通過一些化學手段來構(gòu)建出復雜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)我們想要的多功能性。”
石墨烯旗艦計劃的項目管理主席Andrea C. Ferrari教授補充說：“這是石墨烯旗艦計劃如何將研究的最前沿與實際應用相結(jié)合的又一個實例。石墨烯類材料在薄膜研究方向上的潛力在很早就得到了認可，不過這項工作讓它離工業(yè)應用又更近一步。”
化學慧定制合成事業(yè)部摘錄
化學慧納米材料系列產(chǎn)品
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