高选择性石墨烯膜增强二氧化碳捕获效率
减少二氧化碳 (CO₂) 排放是缓解气候变化和保护地球环境的关键一步。碳捕获是减少二氧化碳排放（尤其是发电厂和工业设施的排放）的一项拟议技术。碳捕获是指从混合气体排放中分离出二氧化碳并将其捕获，以防止其释放到空气中。实现这一目标的一种方法是使用特殊的膜作为选择性“屏障”，让二氧化碳通过并吸收它，同时阻止其他气体通过。
到目前为止，开发能够捕获二氧化碳的高性能低成本膜一直是一项艰巨的任务。这大大降低了这些解决方案在实际应用中的潜力。
洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员最近推出了一种新型石墨烯膜，可以实现高性能碳捕获。这些膜在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中进行了介绍，它们在孔隙边缘结合了吡啶氮，这有助于二氧化碳与孔隙的结合。
“我们希望提高石墨烯膜的分离性能，”该论文的通讯作者 Kumar Varoon Agrawal 告诉 Phys.org。“我们在增加石墨烯孔隙率、改善孔径分布以及向孔中添加聚合物基团方面做了很多工作，以提高 CO 2 /N 2选择性并获得高 CO 2渗透性。然而，我们要么获得高渗透性，要么获得高选择性，但不能同时获得两者。”
在查阅了过去的文献并开展了旨在开发碳捕获膜的研究后，Agrawal 和他的同事意识到，仍然缺乏同时具有高选择性和渗透性的石墨烯基膜。为了开发这些解决方案，他们着手设计一种可以改善 CO₂ 与石墨烯孔隙结合的方法。
他们提出的方法是将氨在室温下暴露于氧化的单层石墨烯中。研究发现，这一过程将吡啶氮整合到膜孔的边缘，从而促进这些孔与二氧化碳的结合。
“我们以吡啶氮的形式将原子氮引入石墨烯孔隙中，”阿格拉瓦尔说。“这种形式的氮对二氧化碳有很高的亲和力。这种方法很有好处，因为石墨烯晶格保持原子厚度，使我们能够获得高选择性和渗透性。”
研究人员发现，他们的方法可使膜具有良好的平均 CO 2 /N 2分离因子 53，并且当 CO 2含量为 20 vol% 时，其平均 CO 2渗透率为 10,420 。对于体积百分比为 ~1 的稀释 CO 2流，膜的分离因子可达到 1,000 以上。
“我们可以通过一种简单的方法进行吡啶氮的掺入，只需将多孔石墨烯浸泡在氨水中即可，”Agrawal 说道。“我们注意到，这可以显著提高 CO 2 /N 2选择性，同时保持出色的渗透性。此外，这还可以使稀释 CO 2进料的 CO 2 /N 2选择性极高，超过 1,000，这非常有吸引力。”
Agrawal 及其同事开发的石墨烯膜及其制造方法可能为大规模实施碳捕获技术开辟新的机会。研究人员目前正在努力扩大膜的规模，并通过卷对卷合成简化其制造过程，以促进其未来的商业化。
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