原子级薄石墨烯膜使碳捕获更加高效

洛桑联邦理工学院的科学家开发出了一种先进的原子级薄石墨烯膜，孔隙边缘含有吡啶氮，在二氧化碳捕获方面表现出前所未有的性能。这标志着向更高效的碳捕获技术迈出了重要一步。

随着世界应对气候变化，对高效且经济的碳捕获技术的需求比以往任何时候都更加迫切。为此，科学家们正在探索一系列创新技术，以大幅减少工业碳排放，这对于缓解全球变暖至关重要。

其中之一就是碳捕获、利用和储存 (CCUS)，这是一项关键技术，可减少发电厂、水泥厂、钢厂和垃圾焚烧炉等难以减排的工业源的二氧化碳 (CO2) 排放。但目前的捕获方法依赖于能源密集型流程，这使得它们成本高昂且不可持续。

目前的研究旨在开发能够高效选择性捕获二氧化碳的膜，从而降低与 CCS 相关的能源和财务成本。但即使是最先进的膜，如聚合物薄膜，在二氧化碳渗透性和选择性方面也受到限制，这限制了它们的可扩展性。

因此，挑战在于制造能够同时提供高二氧化碳渗透性和选择性的膜，这对于有效的碳捕获至关重要。

目前，由洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的 Kumar Varoon Agrawal 领导的科学家团队在这一领域取得了突破，通过在石墨烯孔边缘加入吡啶氮，开发出具有卓越二氧化碳捕获性能的膜。

这种膜在高 CO 2渗透性和选择性之间实现了出色的平衡，使其在各种工业应用中具有极高的应用前景。该研究成果发表在《自然能源》上。

研究人员首先在铜箔上用化学气相沉积法合成单层石墨烯薄膜。他们通过用臭氧进行受控氧化，在石墨烯中引入孔隙，从而形成氧原子功能化的孔隙。然后，他们开发了一种方法，通过在室温下使氧化石墨烯与氨发生反应，将氮原子以吡啶 N 的形式掺入孔隙边缘。

研究人员利用X射线光电子能谱和扫描隧道显微镜等多种技术，证实了吡啶氮的成功引入和孔隙边缘二氧化碳复合物的形成。吡啶氮的引入显著提高了二氧化碳在石墨烯孔隙上的结合力。

所得到的膜表现出较高的 CO2/N2分离系数，对于含有 20% CO2的气流，平均分离系数为 53。值得注意的是，含有约 1% CO2的气流实现了 1,000 以上的分离系数，这是因为在吡啶氮的帮助下，CO2在孔边缘形成了竞争性和可逆性的结合。

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