高选择性石墨烯膜提高二氧化碳捕获效率

减少二氧化碳排放是缓解气候变化和保护地球环境的关键一步。一项拟议的减少二氧化碳排放的技术，特别是发电厂和工业设施的二氧化碳排放，是碳捕获

碳捕获需要将二氧化碳从混合气体排放中分离出来，并将其捕获以防止其释放到空气中。做到这一点的一种方法是使用特殊的膜作为选择性的“屏障”，允许二氧化碳通过并吸收，同时阻断其他气体的通过

到目前为止，开发能够捕获二氧化碳的高性能和低成本膜具有挑战性。这大大降低了这些解决方案在现实应用中的潜力

洛桑理工学院（EPFL）的研究人员最近推出了新的石墨烯膜，可以实现高性能的碳捕获。发表在《自然能源》杂志上的一篇论文中介绍了这些膜，它们的孔边缘含有吡啶氮，这有助于二氧化碳与孔的结合

“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。“我们在增加石墨烯的孔隙率、改善孔隙的尺寸分布以及在孔隙中添加聚合物基团以提高CO2/N2选择性和获得高CO2渗透性方面做了大量工作。然而，我们要么获得了高渗透性，要么获得高选择性，但不是两者都获得。”

在回顾了过去的文献并进行了旨在开发碳捕获膜的自己研究后，Agrawal和他的同事意识到，仍然缺乏同时具有高选择性和高渗透性的石墨烯基膜。为了开发这些解决方案，他们着手设计一种方法，改善二氧化碳与石墨烯孔的结合

他们提出的方法需要在室温下将氨暴露在氧化的单层石墨烯中。这一过程被发现在膜孔的边缘引入吡啶氮，从而促进这些孔与CO2的结合。

阿格拉瓦尔说：“我们在石墨烯孔中引入了吡啶氮形式的原子N。”。“这种形式的氮对二氧化碳有很高的亲和力。这种方法是有益的，因为石墨烯晶格保持原子薄，并使我们能够获得高选择性和高磁导率。“

研究人员发现，他们的方法使膜具有53的平均CO2/N2分离因子和10420的平均CO2渗透率，从含有20体积%CO2的流中分离出来。对于体积%为~1的稀释CO2流，膜的分离系数超过1000。“我们可以通过一种简单的方法进行吡啶N的掺入，只需将多孔石墨烯浸泡在氨中，”Agrawal说。“我们注意到，这导致了CO2/N2选择性的显著提高，同时保持了优异的渗透率。此外，这导致稀释CO2进料的CO2/N2选择率极高，超过1000，这非常有吸引力。”

Agrawal和他的同事开发的石墨烯膜及其制备方法可能为大规模实施碳捕获技术开辟新的机会。研究人员现在正致力于扩大膜的规模，并通过卷对卷合成简化膜的制造，以促进其未来的商业化 More information: Kuang-Jung Hsu et al, Graphene membranes with pyridinic nitrogen at pore edges for high-performance CO₂ capture, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0

Journal information: Nature Energy