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          英國曼徹斯特大學(xué)諾獎?wù)n題組近日發(fā)文報道利用石墨烯原子孔實現(xiàn)精確氣體篩分

          來源:納米人 2087 2021-12-17

          顆粒在線訊:科學(xué)界和工業(yè)界的研究人員和工程師們普遍認為,具有原子尺度孔道的二維晶體將成為下一代分離技術(shù)的熱門候選,有望實現(xiàn)高通量和極限選擇性的有效結(jié)合。然而,對于原子尺度孔道的分子傳輸特性研究大多停留在理論層面,鮮有實驗研究文獻報道。

          近日,來自英國曼徹斯特大學(xué)的Andre K. Geim教授和Pengzhan Sun博士等人組成的研究團隊在Nature Communications(https://www.nature.com/articles/s41467-021-27347-9)上發(fā)文報道(圖1)[1],利用低能低劑量電子束照射,可在微米尺寸懸空石墨烯薄膜中精確引入單個原子孔。所得原子孔的尺寸低至2埃左右,甚至比He、H2等最小的氣體分子還要小。通過精細測量不同氣體的傳輸過程發(fā)現(xiàn),H2、He等小分子氣體可以輕松穿越所得原子孔,而CH4、Xe等大分子氣體的輸運則被完全阻斷。氣體分子在穿越原子孔的過程中需克服一定能量勢壘,該能壘與氣體分子動力學(xué)直徑的平方成正比。

          利用石墨烯原子孔實現(xiàn)精確氣體篩分

          圖1. 在懸浮石墨烯中產(chǎn)生缺陷

          圖1. 在懸浮石墨烯中產(chǎn)生缺陷。

          以上實驗結(jié)果的成功觀測源于兩點原因:1)氣體傳輸測量所用器件為高質(zhì)量機械剝離石墨烯薄膜密封微米尺寸單晶石墨腔體(圖2)[2],該器件具有極高探測精度,可實現(xiàn)對流速低至每小時若干氣體分子的極弱傳輸過程的有效測量;2)該研究團隊通過精確控制電子束的加速電壓(<10 kV)和逐步照射劑量(每步低至1個電子/100nm2),在微米尺寸石墨烯薄膜中引入單個原子孔,從而有效避免引入任何其他大尺寸孔道副產(chǎn)物,進而呈現(xiàn)單個原子孔的真實分子輸運特性。

          利用石墨烯原子孔實現(xiàn)精確氣體篩分

          圖2. 石墨烯對氦的不滲透性

          圖2. 石墨烯對氦的不滲透性。

          通過對所得氣體輸運結(jié)果進行仔細定量分析,該研究團隊發(fā)現(xiàn),原子尺度孔道的分子輸運機制主要涉及表面吸附和擴散,該表面過程的引入對實現(xiàn)高選擇性所需孔道尺寸產(chǎn)生極大限制。研究人員指出,為使二維薄膜付諸實際分離應(yīng)用,有必要探尋具有較大尺寸本征晶格孔的二維材料,該類材料在自然界中廣泛存在,例如石墨炔。該研究團隊接下來計劃探索具有類似尺寸晶格孔道的最優(yōu)二維材料,用以實現(xiàn)未來高效氣體分離技術(shù)的開發(fā)。綜上所述,該研究工作為原子尺度強限域下的選擇性分子傳輸提供基礎(chǔ)參考,并提出了埃尺度多孔二維薄膜所能達到的最優(yōu)性能極限。

          參考文獻

          1. P. Z. Sun, et al. Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores. Nature Communications, 2021, 12, 7170.

          https://doi.org/10.1038/s41467-021-27347-9

          2. P. Z. Sun, et al. Limits on gas impermeability of graphene. Nature, 2020, 579, 229.

          https://doi.org/10.1038/s41586-020-2070-x

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