納米分離膜

日本信州大學(xué)和法國(guó)PSL大學(xué)的科學(xué)家們?cè)诶碚撋献C明了石墨烯上的納米孔（命名為“納米導(dǎo)入體”）可以選擇性讓某種類(lèi)型的空氣分子可以通過(guò)。這為創(chuàng)建先進(jìn)的分子分離膜技術(shù)帶來(lái)了新的可能性。

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與你家的窗戶不同，石墨烯上的納米孔（命名為“納米導(dǎo)入體”）可以選擇性讓某種類(lèi)型的空氣分子可以通過(guò)。

日本信州大學(xué)和法國(guó)PSL大學(xué)的科學(xué)家們?cè)诶碚撋献C明了納米墻的一致運(yùn)動(dòng)能夠以高效節(jié)能的方式選擇性地讓分子通過(guò)（Nature Communications，"Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion"）。這為創(chuàng)建先進(jìn)的分子分離膜技術(shù)帶來(lái)了新的可能性。

納米導(dǎo)入的分離機(jī)理是納米壓入邊緣的原子振動(dòng)改變了有效納米線的尺寸。當(dāng)一邊的邊緣偏離而另一邊偏離相反的方向時(shí)，有效納米線的尺寸變得比邊緣不移動(dòng)時(shí)大。這種效應(yīng)對(duì)于氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾姆肿邮欠浅Ｖ匾模瑥亩鹂諝庵醒鯕獾挠行Х蛛x。

圖：O2通過(guò)石墨烯滲透

該研究考慮了空氣主要成分的分離：氧氣、氮?dú)夂蜌鍤?。他們有很高的工業(yè)需求; 創(chuàng)新的空氣分離技術(shù)受到高度關(guān)注。氧、氮和氬的分子大小分別為0.299,0.305和0.363納米（nm）。研究人員比較了這些分子在6種不同尺寸的納米導(dǎo)入物（0.257納米，0.273納米，0.297納米，0.330納米，0.370納米和0.378納米）上的滲透。

Nanowindows通過(guò)氧化處理制備。因此它們的邊緣被氫和氧原子鈍化，這對(duì)于選擇性滲透具有重要作用。令人驚訝的是，即使當(dāng)剛性納米厚度尺寸小于目標(biāo)分子尺寸時(shí)，分子也通過(guò)納米導(dǎo)入滲透。例如，O- 2通過(guò)0.29nm nanowindows大于0.33nm nanowindows滲透速度更快。滲透速率的差異與分子與納米環(huán)和石墨烯的相互作用有關(guān)。

該機(jī)制是利用氧和氫在納米線輪緣處的相互作用能量和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋的。在納米尺度上，來(lái)自納米線輪緣的具有氫和氧原子的局部電場(chǎng)足夠大以確定氧和氮分子的取向，從而通過(guò)比氧分子小的納米線而提供高度選擇性的滲透。這種選擇性敏感地取決于氣體分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及納米導(dǎo)入的幾何形狀（大小和形狀）和邊緣化學(xué)性質(zhì)。

由熱振動(dòng)引起的納米周緣的氫原子和氧原子的一致取向運(yùn)動(dòng)使窗口的有效尺寸變化約0.01nm。在納米線輪緣處的協(xié)同振動(dòng)可以打開(kāi)納米線以獲得優(yōu)選的分子（在這種情況下為氧氣）。

本研究對(duì)混合氣體滲透進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以測(cè)定其選擇性。在室溫下，O2/N2和O2/Ar的分離效率分別超過(guò)50和1500。目前的膜對(duì)O2/N2的滲透率達(dá)到了6%，但同時(shí)缺乏較高的透過(guò)率。這表明在石墨烯中動(dòng)態(tài)納米導(dǎo)入的可能性很大。

目前工業(yè)中的空氣分離使用蒸餾，這消耗了大量的能量。本研究中使用的氣體廣泛用于各種行業(yè)，如醫(yī)療、食品、汽車(chē)等。嵌入式動(dòng)態(tài)納米導(dǎo)入石墨烯的開(kāi)發(fā)將節(jié)省大量能源，并提供更安全、高效的工藝。這項(xiàng)研究顯示了空氣分離的未來(lái)方向。

參考來(lái)源：日本信州大學(xué)

文獻(xiàn)鏈接：https://dx.doi.org/doi:10.1038/s41467-018-04224-6

來(lái)源：智識(shí)咨詢

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