中石油大学发现新型多孔石墨烯薄膜可高效分离氢气

日前,中国石油大学（华东）研究人员发现多孔石墨烯PG-ES薄膜可高效将氢气从混合气体中分离出来,并利用“能量势垒”的模型阐述了分离原理.该成果在6月11日出版的美国化学学会著名杂志《ACSAppliedMaterials&Interfaces》上以封面论文发表,第一作者为中国石油大学（华东）理学院研究生陶叶晗,通讯作者为理学院薛庆忠教授.专家认为,此研究成果有望推动新型气体分离膜工艺的研发和技术革新,并在产业化推广中具有潜在的应用价值.

氢能作为目前最具发展潜力的清洁能源,具有重量最轻、燃烧性能好、无毒等特点,但其分离与提纯方法是当前制约氢能广泛应用的关键问题,也是氢能开发最前沿、最难突破的研究热点.20世纪70年代以来,全世界各个国家和地区就氢能研究开展科研攻关,但时至今日氢气的分离和提纯方面始终无重大突破.

石墨烯是一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的二维炭质新材料,厚度仅为0.335纳米,是构建其他维数炭质材料的基本单元,具有极好的结晶性及电学性.这种新兴的碳材料由于具备优异的力、热、光、电性能而有望成为下一代的高渗透性、高选择性的气体分离膜.目前以石墨烯分离气体的研究主要通过在石墨烯上造孔来实现,这种石墨烯被称为“top-down”石墨烯.虽然此方面的研究已经相对成熟,但由于这种孔洞石墨烯对孔洞的大小和结构要求严格,在氢气分离实验中难以实现.

陶叶晗等发现,“bottom-up”孔洞石墨烯是一种自生长的孔洞石墨烯,具有较易控制的孔结构.然而利用这种石墨烯对气体分子的吸附和分离的报道相对较少,因而鲜为人知.在整个团队的努力下,他们采用计算机模拟方法研究不同孔洞结构及模拟条件下的石墨烯对不同气体分子的选择性吸附和分离的影响,从微观角度来观察石墨烯与气体分子相互作用的动力学行为,进而探索石墨烯在气体分离方面的应用.这种促进石墨烯气体分离膜材料开发的理论具有降低研究成本、缩短开发周期等优势,对设计新型高效的氢气分离膜具有重要意义.（王建高刘积舜张伯驹）