納米分離膜簡介

日本信州大學和法國PSL大學的科學家們在理論上證明了石墨烯上的納米孔（命名為“納米導入體”）可以選擇性讓某種類型的空氣分子可以通過。這為創(chuàng)建先進的分子分離膜技術(shù)帶來了新的可能性。

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

日本信州大學和法國PSL大學的科學家們在理論上證明了納米墻的一致運動能夠以高效節(jié)能的方式選擇性地讓分子通過（Nature Communications，"Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion"）。這為創(chuàng)建先進的分子分離膜技術(shù)帶來了新的可能性。

納米導入的分離機理是納米壓入邊緣的原子振動改變了有效納米線的尺寸。當一邊的邊緣偏離而另一邊偏離相反的方向時，有效納米線的尺寸變得比邊緣不移動時大。這種效應對于氧氣、氮氣和氬氣的分子是非常重要的，從而引起空氣中氧氣的有效分離。

圖：O2通過石墨烯滲透

該研究考慮了空氣主要成分的分離：氧氣、氮氣和氬氣。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通過氧化處理制備。因此它們的邊緣被氫和氧原子鈍化，這對于選擇性滲透具有重要作用。令人驚訝的是，即使當剛性納米厚度尺寸小于目標分子尺寸時，分子也通過納米導入滲透。例如，O- 2通過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)。

該機制是利用氧和氫在納米線輪緣處的相互作用能量和振動運動來解釋的。在納米尺度上，來自納米線輪緣的具有氫和氧原子的局部電場足夠大以確定氧和氮分子的取向，從而通過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)以及納米導入的幾何形狀（大小和形狀）和邊緣化學性質(zhì)。

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

本研究對混合氣體滲透進行了評價，以測定其選擇性。在室溫下，O2/N2和O2/Ar的分離效率分別超過50和1500。目前的膜對O2/N2的滲透率達到了6%，但同時缺乏較高的透過率。這表明在石墨烯中動態(tài)納米導入的可能性很大。

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、汽車等。嵌入式動態(tài)納米導入石墨烯的開發(fā)將節(jié)省大量能源，并提供更安全、高效的工藝。這項研究顯示了空氣分離的未來方向。

參考來源：日本信州大學

文獻鏈接：https://dx.doi.org/doi:10.1038/s41467-018-04224-6

來源：智識咨詢

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