曼彻斯特大学的研究人员发现，通过在原子薄膜上制造原子尺度的孔，有可能制造出用于精 确和高效气体分离的分子筛，包括从空气中提取二氧化碳。

　　如果膜中的孔径与原子和分子的大小相当，它们可以穿过膜或被阻隔，从而允许根据其分子直径分离气体。工业气体分离技术广泛使用这一原理，目前往往依赖于具有不同孔隙率的聚合物膜。在分离的准确性和效率之间总是存在权衡：调整孔径越细，这种筛子允许的气体流量就越少。

　　长期以来，人们一直推测，使用厚度与石墨烯相似的二维膜，可以达到比目前更好的权衡，因为与传统膜不同，在相同的选择性时，原子薄膜应该允许更多的气体流动。

　　现在，由曼彻斯特大学的Andre Geim教授领导的一个研究小组与比利时和中国的科学家合作，使用低能电子在悬浮石墨烯中打单个原子尺度的空穴。这些孔的大小约为2 Å，甚至比氦和氢等最 小的原子还要小。

　　最 新的《Nature Communications》杂志报道，他们对氦气或氢气等气体相对于氮气、甲烷或氙气的选择性>99.9%。此外，空气分子（氧气和氮气）相对于二氧化碳很容易通过孔隙，二氧化碳被捕获>95%。科学家们指出，要使二维膜实用，必须找到具有固有孔隙的原子薄材料，即晶格本身内的孔隙。

　　"用于气体的精密筛子当然是可能的，事实上，在概念上与用于筛分沙子和颗粒材料的筛子没有什么不同。然而，为了使这项技术具有工业相关性，我们需要具有密集间隙孔隙的膜，而不是在我们的研究中首次证明这一概念的单个孔。只有这样，工业气体分离所需的高流量才能实现，"该论文的主要作者Pengzhan Sun博士说。

　　研究小组现在计划寻找这种具有大固有孔隙的二维材料，以找到未来气体分离技术最 有前途的材料。这种材料确实存在。例如，有各种石墨炔，它们也是碳原子薄层的同素异形体，但尚未大规模制造。这些看起来像石墨烯，但具有更大的碳环，其大小与曼彻斯特研究人员创建和研究的单个缺陷相似。合适的尺寸可能使石墨炔非常适合气体分离。

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DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27347-9

摘要

　　具有埃米级孔隙的二维晶体被广泛认为是下一代分子分离技术的候选者，该技术旨在提供极端的，指数级的大选择性和高流速。实验中没有这样的毛孔。本文中，我们报道了通过低强度暴露于低kV电子而产生的单个石墨烯孔隙的气体传输。氦气和氢气很容易通过这些孔隙渗透，而氙气和甲烷等较大的物质被阻挡。渗透气体经历活化屏障，随着分子的动力学直径呈二次增加，产生的孔的有效直径估计约为2埃米，大约一个缺失的碳环。我们的工作揭示了使用多孔二维膜实现长期追捧的指数选择性的严格条件，并提出对可具有性能的限制因素。

图1 在悬浮石墨烯中制造缺陷

　　a 我们设备的原理图。左图：单层石墨烯密封微腔被电子轰击。最 初，由于粘附在侧壁上，膜在腔内下垂。右图：加压后，有缺陷的膜凸出。b 相同装置在暴露于10 keV电子之前（左）和之后（右）的AFM图像;剂量为0.5μC cm−2。这两张照片都是在将设备以3 bar的Kr中存放10天后拍摄的。白色曲线是沿膜直径的高度分布。σ是膜相对于石墨顶部表面测量的中心位置。灰度分别由左侧和右侧图像中的σ≈−15和+24 nm给出。c σ作为辐射剂量和加速度电压函数的示例。每个点都是在以3 bar Kr对设备加压后取的。虚线：视线方向; 黑色短线：σ=0。d σ（t）用于用各种气体（颜色编码）加压后，将中等大小的孔隙表示为类型2的装置。实线曲线：最 佳线性拟合。插图：内部有Ar的放气装置的代表性高度剖面。

图2 电子轰击产生的石墨烯孔隙的气体选择性

　　a Ne和Kr之间的选择作为在8 kV电子束下出现孔隙的剂量的函数。每个符号表示不同的设备。三个独特的组通过其颜色强调，实线表示每个组的平均S。垂直线：视线方向，指示不同孔隙类型的典型阈值剂量。b–d J*表示使用十种不同气体的三种类型的孔隙，如面板中所示。误差线：通常为六个但至少三个设备的SD。b–d中的实线曲线：对于α为常数的惰性气体，最符合指数选择性J*∝exp（−αdK）。由于dK的范围有限，数据与J*∝exp（−αdK2）（未显示）同样吻合。虚线曲线：双原子气体的引导。d中的箭头表示Xe和CH4的不可检测渗透。

图3 埃米级别孔的表征

　　a 测量的Type2毛孔的T依赖性示例（颜色编码T）。符号：Ar的实验数据，实线：线性拟合。插图：生成的阿伦尼乌斯图（相同的颜色编码）。实线曲线：最 佳拟合产生EA≈0.4 eV。b 惰性气体和不同孔隙类型的EA，显示为dK的函数（注意非线性x轴）。符号：带有显示SD的误差线的实验数据，使用与图2相同的一组器件。实心曲线：最 好与EA=α（dK2−d02） 使用相同的α。插图：可能的原子尺度缺陷之一（补充信息），d0接近Type2孔（蓝色圆圈的直径为2.5Å）。c 对于与b中相同的气体和EA，1bar时的撞击率ν。实线：最 适合使用1/β=40 meV。蓝色阴影区域：如果贵族原子仅来自体积，则撞击率为ν0。请注意，由于J*≈10−23 mol/s/Pa的上限，我们无法获得渗透率高于Ne的气体的阿伦尼乌斯图。使用我们的实验设置可以获得的所有EA和撞击率都以b和c表示。

结论

　　我们的工作为通过埃米尺度孔隙的分子转运的广泛理论研究提供了实验反馈，并揭示了活化转运机制的一些意想不到的特征。该机理主要涉及吸附和表面扩散，这给达到高选择性所需的孔径施加了强烈的限制。发现的指数前因子∝exp（βEA）抵消了阿伦尼乌斯行为exp（−EA/kBT），并强烈降低了任何给定气体对的选择性。虽然所研究的孔的原子结构仍然未知，但Type3孔的大小可能与七边空位（补充信息）相似，并且γ-石墨炔中的内在孔隙相似。只有当开发出具有这种高密度埃米孔的2D膜时，人们才能设想出选择性超出现有选择性 - 渗透性边界的分离技术。

来源：

https://www.manchester.ac.uk/discover/news/precision-sieving-of-gases-through-atomic-pores-in-graphene/

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27347-9

文章来源：公众号【Carbontech】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。