從甲烷和輕烴中有效分離氫氣用于清潔能源應(yīng)用仍然是膜科學(xué)的技術(shù)挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，我們制備了石墨烯包裹的 MFI (G-MFI) 分子篩膜，用于超快分離甲烷中的氫氣，滲透率達(dá)到 5.8 × 10
6，單一氣體選擇性為 245，混合氣體選擇性為 50。我們的結(jié)果設(shè)定了氫氣分離的上限。根據(jù)分子動力學(xué)模擬，高效的分子篩分來自石墨烯和沸石晶面之間的亞納米級界面空間。G-MFI 膜的分級孔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速滲透，為高效分離氫氣/甲烷和二氧化碳/甲烷提供了一條有希望的途徑。
Figure 1. 使用 G-MFI 實(shí)現(xiàn)H2/CH4分離效率。( A ) 單一氣體分離的 H2 /CH4分離的Robeson 圖。對于 G-MFI 膜，顯示了單一氣體和混合氣體的選擇性。紅線指的是 Robeson 使用聚合物膜提出的上限。 ( B ) G-MFI SEM 圖像。( C ) 斷裂的 G-MFI SEM 橫截面圖像。( D ) TEM 圖像突出顯示了兩個用石墨烯包裹的 MFI 晶體之間的接觸。( E ) 石墨烯中納米窗的 TEM 圖像。( F ) 納米窗口尺寸分布直方圖。G-MFI 膜的邊緣共享模型結(jié)構(gòu)，描繪了晶間空隙；顯示了 MFI 的 (010) 晶面。( H ) 簡化的界面模型顯示了 G-MFI 膜的石墨烯和 MFI 晶面的截面圖。單個石墨烯層中的納米窗口由石墨烯層中的空白表示，盡管石墨烯層連續(xù)覆蓋沸石晶體。TEM 圖像顯示了一些石墨烯層，其納米窗口覆蓋了真實(shí) G-MFI 中的 MFI 沸石晶體。幾層包裹可以近似為單層包裹，因?yàn)閷又g的氣體滲透性可以忽略不計(jì)。
Figure 2. G-MFI 膜的孔隙率由77 K下的 N2吸附確定。( A ) G-MFI 和 MFI 粉末的 N2吸附 (Ads.) 等溫線。插圖是相應(yīng)的半對數(shù)圖。STP，標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力。( B ) G-MFI和MFI膜的N2吸附等溫線。插圖是相應(yīng)的半對數(shù)圖。( C )壓縮石墨烯的N2吸附等溫線。插圖是相應(yīng)的半對數(shù)圖。( D ) 吸附等溫線和 H2、CO2和 CH4的部分填充對壓力作圖。液體 H2的密度(0.0711 g cm
-3 at 20 K and 10
5Pa)、固體 CO2 (1.566 g cm
-3在 193 K 和 10
5 Pa) 和液體 CH4 (0.423 g cm
-3在 111 K 和 10
5 Pa) 和 G- 的微孔體積 MFI 膜用于估計(jì)部分填充物。
Figure 3. G-MFI膜的氣體分離性能。( A ) H2、He、CO2、N2、CH4、i-C4H10和SF
6氣體的單一氣體滲透率隨分子大小的變化。使用 H2和 He的 MIN-2 分子大小。( B ) H2的選擇性與分子大小的關(guān)系。可分離的氣體包括He、CO2、N2、CH4、i-C4H10和SF
6。( C ) 分離 H2/CH4的選擇性隨時間變化等摩爾混合物。( D ) CO2/CH4的 Robeson 圖。對于 G-MFI 膜，顯示了單一氣體和混合氣體 CO2 /CH4的選擇性以供比較。紅線顯示了聚合物膜的 Robeson 圖。圖 2 （A 和 B）中的箭頭表示 i-C4H10和 SF
6的滲透率和選擇性分別為最大值和最小值。
Figure 4. 通過 G-MFI 晶體棒膜模型的滲透機(jī)制。( A )紅色H2和藍(lán)色 CH4沿 G-MFI 晶棒模型的 (100) 和 (010) MFI 晶面的滲透軌跡。( B ) 與(001) MFI晶面接觸的石墨烯上的納米窗口；表面氧原子為紅色。( C ) 石墨烯和 (100) MFI 晶面之間的界面。( D ) 石墨烯和 (010) MFI 晶面之間的界面。( E
1和E
2 ) H2和 CH4的軌跡投影 (001) 面。側(cè)面的軌跡表示為 I、I'、II 和 II'，表示在石墨烯-MFI 界面空間的滲透。(F
1和F
2 ) 投射到 (100) 面的軌跡。紅色箭頭顯示 H2在石墨烯-MFI 界面空間的滲透。CH4的藍(lán)色軌跡顯示CH4滲透通過孔隙，但不通過石墨烯-MFI 界面空間。( G
1和G
2 ) 投射到(010) 面的軌跡，表明H2和CH4穿過MFI晶體的孔隙。( H和I ) H2和CH4勢能的時間過程。
Figure 5. G-MFI 滲透性和選擇性。( A ) H2滲透率與 MFI 晶體界面表面積的關(guān)系曲線，由模擬和實(shí)驗(yàn)確定。( B ) H2/CH4選擇性與 MFI 晶體界面表面積的關(guān)系圖，由單一氣體和混合氣體的模擬和實(shí)驗(yàn)確定。界面面積等于模擬用MFI晶體和實(shí)驗(yàn)用MFI顆粒的幾何外部面積。
相關(guān)研究工作由信州大學(xué)Katsumi Kaneko課題組于2022年在線發(fā)表于《SCIENCE ADVANCES》期刊上，原文：Ultrapermeable 2D-channeled graphene-wrapped zeolite molecular sieving membranes for hydrogen separation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
