可扩展的石墨烯膜可以增强碳捕获能力

从工业排放中捕获二氧化碳（CO2）对于应对气候变化至关重要。但目前的方法，如化学吸收，既昂贵又耗能。科学家们长期以来一直将石墨烯——一种原子薄、超强的材料——视为气体分离的有前景的替代品，但制造大面积、高效的石墨烯膜一直是一个挑战

现在，由Kumar Agrawal教授领导的EPFL团队开发了一种可扩展的技术来制造多孔石墨烯膜，该膜可以选择性地过滤气体混合物中的二氧化碳。他们的方法大幅降低了生产成本，同时提高了膜的质量和性能，为碳捕获及其他领域的实际应用铺平了道路

这项研究发表在《自然化学工程》上。

石墨烯膜在分离气体方面表现出色，因为它们可以设计出大小合适的孔，让二氧化碳通过，同时阻断氮气等较大分子。这使它们成为捕获发电厂和工业过程中二氧化碳排放的理想选择。但有一个问题：以有意义的规模制造这些膜既困难又昂贵

大多数现有方法都依赖于昂贵的铜箔来生长膜所需的高质量石墨烯，并且需要精细的处理技术，这通常会导致裂纹，降低膜效率。挑战在于找到一种以经济高效、可重复的方式制造大型、高质量石墨烯膜的方法

EPFL团队直面这些挑战。首先，他们开发了一种在低成本铜箔上生长高质量石墨烯的方法，大大降低了材料成本。然后，他们改进了一种使用臭氧（O3）在石墨烯中蚀刻微孔的化学过程，从而实现了高度选择性的二氧化碳过滤

至关重要的是，他们改进了气体与石墨烯的相互作用方式，确保了大面积上均匀的孔隙形成——这是实现工业可扩展性的关键一步

为了解决膜脆性的问题，研究人员还引入了一种新的转移技术。他们没有将精细的石墨烯薄膜浮在支架上，这通常会导致裂缝，而是在膜组件内设计了一种直接转移过程，消除了处理问题，并将故障率降至接近零

使用他们的新方法，研究人员成功地创建了50平方厘米的石墨烯膜——比以前可行的要大得多——具有近乎完美的完整性。这些膜表现出卓越的二氧化碳选择性和高透气性，这意味着它们能有效地让二氧化碳通过，同时阻挡不需要的气体

此外，通过优化氧化过程，他们能够增加CO2选择性孔的密度，进一步提高性能。计算模拟证实，改善膜上的气体流动对实现这些结果起着至关重要的作用

这一突破可能会改变碳捕获的游戏规则。传统的二氧化碳捕获技术依赖于能源密集型的化学过程，使其复杂且昂贵，无法广泛使用。另一方面，石墨烯膜不需要热量输入，并且使用简单的压力驱动过滤操作，显著降低了能耗

除了碳捕获，这种方法还可以应用于其他气体分离需求，包括氢气净化和氧气生产。凭借其可扩展的生产工艺和成本效益高的材料，EPFL的创新使石墨烯膜更接近商业可行性 More information: Jian Hao et al, Scalable synthesis of CO₂-selective porous single-layer graphene membranes. Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00203-z. www.nature.com/articles/s44286-025-00203-z

Journal information: Nature Chemical Engineering