如今，化石燃料的燃燒、汽車尾氣、鋼鐵水泥以及各種現代工業品的生產過程產生二氧化碳，這些二氧化碳源源不斷地排放到大氣中，遠遠超出了自然環境的自凈能力，大量二氧化碳讓溫室效應不斷加劇。

 

作為溫室效應的罪魁禍首，二氧化碳對環境的危害不言而喻，雖然現在也有一些技術可以吸收二氧化碳，但問題是從工業排放的廢氣中捕獲二氧化碳的成本居高不下。造成這種情況的原因是工業廢氣中并不是單純的二氧化碳，而是二氧化碳與氮氣以及其他各種氣體的混合物。因此，基于目前的技術從廢氣中單獨提取二氧化碳需要消耗額外的能源，當然這也就意味著要花費更多的費用。

 

多年以來，研究人員一直在致力于尋找一種成本較低而且可以高效吸收二氧化碳的設備或工藝，比如一種新型的二氧化碳過濾器，可以從工業廢氣的混合氣體中過濾出二氧化碳，然后將其單獨進行儲存或者轉化成其他有用的化學物質。

 

來自洛桑聯邦理工學院化學科學與工程學院的 Kumar Varoon Agrawal 教授對此表示：“然而，目前二氧化碳過濾器的性能受限于現有材料基本特性。”于是，他便帶領一個化學工程師團隊，獨辟蹊徑地采用石墨烯材料研制出新型的二氧化碳過濾器。這種石墨烯過濾器不但非常薄，關鍵是它可以將二氧化碳從工業廢氣的混合氣體中分離出來，而且在效率和速度方面也遠超市面上的大多數過濾器。

 

目前，Agrawal 教授已經在 Science Advances 上發表了題為“毫秒級晶格氣化用于單層石墨烯中高密度篩分納米孔”的論文來介紹這項研究成果。

 

石墨烯過濾器的制備過程

 

石墨烯的發現曾在 2010 年獲得諾貝爾物理學獎，而且，石墨烯堪稱享譽全球的“神奇材料”。

 

對于這種石墨烯過濾器是如何制造出來的，“我們采用的方法非常簡單。”Agrawal 教授說道，“我們在石墨烯上制備了二氧化碳分子大小的小孔，這些小孔使得二氧化碳能夠通過，同時阻擋了氮氣等其他比二氧化碳分子大的氣體。”

 

Agrawal 的研究小組通過刻蝕單層石墨烯，使其具有亞埃精度的高孔密度，而這正是實現類似尺寸氣體分子（比如二氧化碳和氮氣）高通量分離的關鍵所在。然而，想達到如此高的精度，這對刻蝕動力學也提出了更高的要求。

 

在制備過程中，Agrawal 研究小組使用了毫秒級的碳氣化化學過程，其中包含高密度的功能性氧簇，然后在受控和可預測的氣化條件下在二氧化碳篩分空位缺陷中演化，最后，在氧氣氣氛中，通過空位缺陷的原位擴展，分子截止可以調整 0.1Å。

 

分子分離是工業過程中的關鍵組成部分，也是碳捕獲等環境問題的核心，通過使用高性能分子篩膜，根據氣體的動力學直徑分離氣體，可大大降低分離過程的能源效率和資本成本。

 

具體而言，通過在單層石墨烯（SLG）晶格中引入空位缺陷制備的氣體篩分納米多孔單層石墨烯（N-SLG），對于高通量二氧化碳和氧氣分離非常有吸引力，因為擴散阻力由納米孔處的單一過渡態控制。通過增加二氧化碳的滲透性，可以顯著提高分離過程的能源效率。

 

雖然石墨烯納米孔確實可以分離出含有類似大小分子的工業相關混合物，將這些納米孔以足夠窄的孔徑分布（Pore Size Distribution 簡稱 PSD）并入石墨烯中以獲得分子分化所需的亞埃分辨率仍然是一個挑戰。

 

Agrawal 研究小組已經證明具有寬 PSD 的 N-SLG 可以用于氣體分離，盡管在石墨烯上使用額外的氣體選擇層。原則上，化學蝕刻技術可以通過減慢蝕刻動力學，例如，使用低溫或小濃度蝕刻劑來獲得二氧化碳選擇性納米孔。

 

然而，基于遲滯動力學的方法無法實現實現高通量分離的主要目標所需的有意義的孔密度，因此，迫切需要開發快速刻蝕動力學與短而可控的孔擴張時間相結合的方法。刻蝕方法存在其固有的局限性：孔膨脹的速度比孔成核的速度快得多，例如，涉及高能電子或離子轟擊的納米制造路線涉及 20 至 23 eV 的能量勢壘以從基面置換碳原子，遠高于從孔邊緣置換碳原子所需的能量。

 

Agrawal 研究小組通過使用定制的毫秒氣化反應器（MGR），可以將空位缺陷的擴展時間控制到幾毫秒，通過毫秒氣化將高密度的空位缺陷精確地結合到石墨烯中。高孔密度加上由缺失的 1 到 20 個碳原子組成的窄 PSD 導致具有吸引力的二氧化碳/氮氣和二氧化碳/甲烷選擇性。

 

帶來更高的經濟價值

 

Agrawal 研究小組表示，通過在膜組件內部原位緩慢擴張納米孔得到的膜具有很好的篩分性能，這使得這些膜非常有希望用于高效節能的碳捕獲。

 

這里可以進行簡單比較，當前的二氧化碳過濾器要求超過 1000 個氣體滲透單位（GPUs），而碳捕獲特性（稱為“分離因子”）必須高于 20。Agrawal 研究小組開發的膜在 11800 個 GPUs 時顯示出超過 10 倍的二氧化碳透過率，而其“分離因子”達到 22.5。結果證明，這種新型石墨烯過濾器的碳捕獲性能創下了歷史新高。

 

對此，Agrawal 說：“我們估計，這項技術將使碳捕獲成本降低近 30 美元/噸二氧化碳，而其他商業技術的成本要比這高出 2 到 4 倍。”。