石墨烯又一重大突破：高效過濾器將碳捕獲成本降低2-4倍

如今，化石燃料的燃燒、汽車尾氣、鋼鐵水泥以及各種現(xiàn)代工業(yè)品的生產(chǎn)過程產(chǎn)生二氧化碳，這些二氧化碳源源不斷地排放到大氣中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然環(huán)境的自凈能力，大量二氧化碳讓溫室效應(yīng)不斷加劇。

作為溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?，二氧化碳?duì)環(huán)境的危害不言而喻，雖然現(xiàn)在也有一些技術(shù)可以吸收二氧化碳，但問題是從工業(yè)排放的廢氣中捕獲二氧化碳的成本居高不下。造成這種情況的原因是工業(yè)廢氣中并不是單純的二氧化碳，而是二氧化碳與氮?dú)庖约捌渌鞣N氣體的混合物。因此，基于目前的技術(shù)從廢氣中單獨(dú)提取二氧化碳需要消耗額外的能源，當(dāng)然這也就意味著要花費(fèi)更多的費(fèi)用。

多年以來，研究人員一直在致力于尋找一種成本較低而且可以高效吸收二氧化碳的設(shè)備或工藝，比如一種新型的二氧化碳過濾器，可以從工業(yè)廢氣的混合氣體中過濾出二氧化碳，然后將其單獨(dú)進(jìn)行儲(chǔ)存或者轉(zhuǎn)化成其他有用的化學(xué)物質(zhì)。

來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的 Kumar Varoon Agrawal 教授對(duì)此表示：“然而，目前二氧化碳過濾器的性能受限于現(xiàn)有材料基本特性。”于是，他便帶領(lǐng)一個(gè)化學(xué)工程師團(tuán)隊(duì)，獨(dú)辟蹊徑地采用石墨烯材料研制出新型的二氧化碳過濾器。這種石墨烯過濾器不但非常薄，關(guān)鍵是它可以將二氧化碳從工業(yè)廢氣的混合氣體中分離出來，而且在效率和速度方面也遠(yuǎn)超市面上的大多數(shù)過濾器。

目前，Agrawal 教授已經(jīng)在 Science Advances 上發(fā)表了題為“毫秒級(jí)晶格氣化用于單層石墨烯中高密度篩分納米孔”的論文來介紹這項(xiàng)研究成果。

石墨烯二氧化碳過濾器示意

石墨烯過濾器的制備過程

石墨烯的發(fā)現(xiàn)曾在 2010 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而且，石墨烯堪稱享譽(yù)全球的“神奇材料”。

對(duì)于這種石墨烯過濾器是如何制造出來的，“我們采用的方法非常簡(jiǎn)單?！?span>Agrawal 教授說道，“我們?cè)谑┥现苽淞硕趸挤肿哟笮〉男】祝@些小孔使得二氧化碳能夠通過，同時(shí)阻擋了氮?dú)獾绕渌榷趸挤肿哟蟮臍怏w。”

Agrawal 的研究小組通過刻蝕單層石墨烯，使其具有亞埃精度的高孔密度，而這正是實(shí)現(xiàn)類似尺寸氣體分子（比如二氧化碳和氮?dú)猓└咄糠蛛x的關(guān)鍵所在。然而，想達(dá)到如此高的精度，這對(duì)刻蝕動(dòng)力學(xué)也提出了更高的要求。

在制備過程中，Agrawal 研究小組使用了毫秒級(jí)的碳?xì)饣瘜W(xué)過程，其中包含高密度的功能性氧簇，然后在受控和可預(yù)測(cè)的氣化條件下在二氧化碳篩分空位缺陷中演化，后，在氧氣氣氛中，通過空位缺陷的原位擴(kuò)展，分子截止可以調(diào)整 0.1?。

分子分離是工業(yè)過程中的關(guān)鍵組成部分，也是碳捕獲等環(huán)境問題的核心，通過使用高性能分子篩膜，根據(jù)氣體的動(dòng)力學(xué)直徑分離氣體，可大大降低分離過程的能源效率和資本成本。

具體而言，通過在單層石墨烯（SLG）晶格中引入空位缺陷制備的氣體篩分納米多孔單層石墨烯（N-SLG），對(duì)于高通量二氧化碳和氧氣分離非常有吸引力，因?yàn)閿U(kuò)散阻力由納米孔處的單一過渡態(tài)控制。通過增加二氧化碳的滲透性，可以顯著提高分離過程的能源效率。

雖然石墨烯納米孔確實(shí)可以分離出含有類似大小分子的工業(yè)相關(guān)混合物，將這些納米孔以足夠窄的孔徑分布（Pore Size Distribution 簡(jiǎn)稱 PSD）并入石墨烯中以獲得分子分化所需的亞埃分辨率仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Agrawal 研究小組已經(jīng)證明具有寬 PSD 的 N-SLG 可以用于氣體分離，盡管在石墨烯上使用額外的氣體選擇層。原則上，化學(xué)蝕刻技術(shù)可以通過減慢蝕刻動(dòng)力學(xué)，例如，使用低溫或小濃度蝕刻劑來獲得二氧化碳選擇性納米孔。

然而，基于遲滯動(dòng)力學(xué)的方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)高通量分離的主要目標(biāo)所需的有意義的孔密度，因此，迫切需要開發(fā)快速刻蝕動(dòng)力學(xué)與短而可控的孔擴(kuò)張時(shí)間相結(jié)合的方法。刻蝕方法存在其固有的局限性：孔膨脹的速度比孔成核的速度快得多，例如，涉及高能電子或離子轟擊的納米制造路線涉及 20 至 23 eV 的能量勢(shì)壘以從基面置換碳原子，遠(yuǎn)高于從孔邊緣置換碳原子所需的能量。

Agrawal 研究小組通過使用定制的毫秒氣化反應(yīng)器（MGR），可以將空位缺陷的擴(kuò)展時(shí)間控制到幾毫秒，通過毫秒氣化將高密度的空位缺陷精確地結(jié)合到石墨烯中。高孔密度加上由缺失的 1 到 20 個(gè)碳原子組成的窄 PSD 導(dǎo)致具有吸引力的二氧化碳/氮?dú)夂投趸?span>/甲烷選擇性。

通過毫秒氣化將高密度的空位缺陷精確地結(jié)合到石墨烯中

帶來更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

Agrawal 研究小組表示，通過在膜組件內(nèi)部原位緩慢擴(kuò)張納米孔得到的膜具有很好的篩分性能，這使得這些膜非常有希望用于高效節(jié)能的碳捕獲。

這里可以進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，當(dāng)前的二氧化碳過濾器要求超過 1000 個(gè)氣體滲透單位（GPUs），而碳捕獲特性（稱為“分離因子”）必須高于 20。Agrawal 研究小組開發(fā)的膜在 11800 個(gè) GPUs 時(shí)顯示出超過 10 倍的二氧化碳透過率，而其“分離因子”達(dá)到 22.5。結(jié)果證明，這種新型石墨烯過濾器的碳捕獲性能創(chuàng)下了歷史新高。

對(duì)此，Agrawal 說：“我們估計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將使碳捕獲成本降低近 30 美元/噸二氧化碳，而其他商業(yè)技術(shù)的成本要比這高出 2 到 4 倍。”。