日前，中國(guó)石油大學(xué)（華東）研究人員發(fā)現(xiàn)多孔石墨烯PG-ES薄膜可高效將氫氣從混合氣體中分離出來(lái)，并利用“能量勢(shì)壘”的模型闡述了分離原理。該成果在6月11日出版的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)著名雜志《ACSAppliedMaterials&Interfaces》上以封面論文發(fā)表，第一作者為中國(guó)石油大學(xué)（華東）理學(xué)院研究生陶葉晗，通訊作者為理學(xué)院薛慶忠教授。專家認(rèn)為，此研究成果有望推動(dòng)新型氣體分離膜工藝的研發(fā)和技術(shù)革新，并在產(chǎn)業(yè)化推廣中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

氫能作為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗哂兄亓孔钶p、燃燒性能好、無(wú)毒等特點(diǎn)，但其分離與提純方法是當(dāng)前制約氫能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，也是氫能開(kāi)發(fā)最前沿、最難突破的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，全世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)就氫能研究開(kāi)展科研攻關(guān)，但時(shí)至今日氫氣的分離和提純方面始終無(wú)重大突破。

石墨烯是一種碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的二維炭質(zhì)新材料，厚度僅為0.335納米，是構(gòu)建其他維數(shù)炭質(zhì)材料的基本單元，具有極好的結(jié)晶性及電學(xué)性。這種新興的碳材料由于具備優(yōu)異的力、熱、光、電性能而有望成為下一代的高滲透性、高選擇性的氣體分離膜。目前以石墨烯分離氣體的研究主要通過(guò)在石墨烯上造孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種石墨烯被稱為“top-down”石墨烯。雖然此方面的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但由于這種孔洞石墨烯對(duì)孔洞的大小和結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，在氫氣分離實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)。

陶葉晗等發(fā)現(xiàn)，“bottom-up”孔洞石墨烯是一種自生長(zhǎng)的孔洞石墨烯，具有較易控制的孔結(jié)構(gòu)。然而利用這種石墨烯對(duì)氣體分子的吸附和分離的報(bào)道相對(duì)較少，因而鮮為人知。在整個(gè)團(tuán)隊(duì)的努力下，他們采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究不同孔洞結(jié)構(gòu)及模擬條件下的石墨烯對(duì)不同氣體分子的選擇性吸附和分離的影響，從微觀角度來(lái)觀察石墨烯與氣體分子相互作用的動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)而探索石墨烯在氣體分離方面的應(yīng)用。這種促進(jìn)石墨烯氣體分離膜材料開(kāi)發(fā)的理論具有降低研究成本、縮短開(kāi)發(fā)周期等優(yōu)勢(shì)，對(duì)設(shè)計(jì)新型高效的氫氣分離膜具有重要意義。