石墨烯原子孔有望精确筛分气体，或使空气中CO₂捕获率超过95%

曼彻斯特大学（University of Manchester）的研究人员发现，通过在原子薄膜上制造原子级孔，有望制造分子筛，可精确、有效地进行气体分离，包括从空气中提取二氧化碳。

如果孔径在膜上是相当于原子和分子的大小，它们可以通过膜，或被“拒绝”，从而可以根据气体的分子直径进行分离。工业气体分离技术广泛使用这一原理，通常依赖于具有不同孔隙率的聚合物膜。但是，分离精度和效率之间总是需要权衡取舍：孔径调节得越细，这种筛子允许的气体流量就越少。

长期以来，人们一直推测，使用与石墨烯厚度相似的二维膜，可以更好地权衡，实现更好的效果。因为与传统膜不同，原子级薄的膜应该可以更容易让气体流动以获得相同的选择性。

曼彻斯特大学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上打出单个原子级的孔。这些孔的尺寸低至约2埃，甚至比最小的原子（如氦和氢）还要小。

研究人员表示，对于氦气或氢气等气体，相对于氮气、甲烷或氙气，这些孔实现了几乎完美的选择性（优于 99.9%）。此外，相对于二氧化碳，空气分子（氧气和氮气）更容易通过孔隙，二氧化碳的捕获率超过 95%。

科学家们指出，为了使二维膜实用化，必须找到具有内在孔隙的原子级薄材料，即晶格本身的孔隙。

研究者表示，用于气体的精密筛子当然是可能实现的，事实上，它们在概念上与用于筛选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意义，现实中需要具有密集孔隙的膜，而不是像研究中为首次证明这一概念而创造的单个孔。只有这样才能实现工业气体分离所需的高流量。

目前，研究小组正计划寻找这种具有大的内在孔隙的二维材料，以找到那些对未来气体分离技术最有希望的材料。这样的材料确实存在，例如，有许多石墨烯，它们也是碳的原子薄异构体，但尚未大规模制造。还有些材料看起来像石墨烯，但有更大的碳环，其大小与曼彻斯特研究人员创造和研究的单个孔相似。适当的尺寸或能使石墨烯完美地适用于气体分离。

题为Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores的相关研究论文发表在《自然-通讯》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

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