原子級薄石墨烯膜使碳捕獲更加高效

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

隨著世界應對氣候變化，對高效且經濟的碳捕獲技術的需求比以往任何時候都更加迫切。為此，科學家們正在探索一系列創(chuàng)新技術，以大幅減少工業(yè)碳排放，這對于緩解全球變暖至關重要。

其中之一就是碳捕獲、利用和儲存 (CCUS)，這是一項關鍵技術，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 相關的能源和財務成本。但即使是最先進的膜，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展性。

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

目前，由洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的 Kumar Varoon Agrawal 領導的科學家團隊在這一領域取得了突破，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現了出色的平衡，使其在各種工業(yè)應用中具有極高的應用前景。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氣相沉積法合成單層石墨烯薄膜。他們通過用臭氧進行受控氧化，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，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，證實了吡啶氮的成功引入和孔隙邊緣二氧化碳復合物的形成。吡啶氮的引入顯著提高了二氧化碳在石墨烯孔隙上的結合力。

所得到的膜表現出較高的 CO2/N2分離系數，對于含有 20% CO2的氣流，平均分離系數為 53。值得注意的是，含有約 1% CO2的氣流實現了 1,000 以上的分離系數，這是因為在吡啶氮的幫助下，CO2在孔邊緣形成了競爭性和可逆性的結合。

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