原子級(jí)薄石墨烯膜使碳捕獲更加高效

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出了一種先進(jìn)的原子級(jí)薄石墨烯膜，孔隙邊緣含有吡啶氮，在二氧化碳捕獲方面表現(xiàn)出前所未有的性能。這標(biāo)志著向更高效的碳捕獲技術(shù)邁出了重要一步。

隨著世界應(yīng)對(duì)氣候變化，對(duì)高效且經(jīng)濟(jì)的碳捕獲技術(shù)的需求比以往任何時(shí)候都更加迫切。為此，科學(xué)家們正在探索一系列創(chuàng)新技術(shù)，以大幅減少工業(yè)碳排放，這對(duì)于緩解全球變暖至關(guān)重要。

其中之一就是碳捕獲、利用和儲(chǔ)存 (CCUS)，這是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可減少發(fā)電廠、水泥廠、鋼廠和垃圾焚燒爐等難以減排的工業(yè)源的二氧化碳 (CO2) 排放。但目前的捕獲方法依賴于能源密集型流程，這使得它們成本高昂且不可持續(xù)。

目前的研究旨在開發(fā)能夠高效選擇性捕獲二氧化碳的膜，從而降低與 CCS 相關(guān)的能源和財(cái)務(wù)成本。但即使是最先進(jìn)的膜，如聚合物薄膜，在二氧化碳滲透性和選擇性方面也受到限制，這限制了它們的可擴(kuò)展性。

因此，挑戰(zhàn)在于制造能夠同時(shí)提供高二氧化碳滲透性和選擇性的膜，這對(duì)于有效的碳捕獲至關(guān)重要。

目前，由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的 Kumar Varoon Agrawal 領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了突破，通過在石墨烯孔邊緣加入吡啶氮，開發(fā)出具有卓越二氧化碳捕獲性能的膜。

這種膜在高 CO 2滲透性和選擇性之間實(shí)現(xiàn)了出色的平衡，使其在各種工業(yè)應(yīng)用中具有極高的應(yīng)用前景。該研究成果發(fā)表在《自然能源》上。

研究人員首先在銅箔上用化學(xué)氣相沉積法合成單層石墨烯薄膜。他們通過用臭氧進(jìn)行受控氧化，在石墨烯中引入孔隙，從而形成氧原子功能化的孔隙。然后，他們開發(fā)了一種方法，通過在室溫下使氧化石墨烯與氨發(fā)生反應(yīng)，將氮原子以吡啶 N 的形式摻入孔隙邊緣。

研究人員利用X射線光電子能譜和掃描隧道顯微鏡等多種技術(shù)，證實(shí)了吡啶氮的成功引入和孔隙邊緣二氧化碳復(fù)合物的形成。吡啶氮的引入顯著提高了二氧化碳在石墨烯孔隙上的結(jié)合力。

所得到的膜表現(xiàn)出較高的 CO2/N2分離系數(shù)，對(duì)于含有 20% CO2的氣流，平均分離系數(shù)為 53。值得注意的是，含有約 1% CO2的氣流實(shí)現(xiàn)了 1,000 以上的分離系數(shù)，這是因?yàn)樵谶拎さ膸椭?，CO2在孔邊緣形成了競(jìng)爭(zhēng)性和可逆性的結(jié)合。

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