科学家们开发了一种可扩展的方法来生产有效分离二氧化碳的多孔石墨烯膜。这一突破可能显著降低碳捕集技术的成本和占地面积。
从工业排放中捕捉二氧化碳（CO₂）对于应对气候变化至关重要。但目前的方法，如化学吸收，成本高且能耗大。科学家们一直将石墨烯——一种原子薄、超强的材料——视为气体分离的有前景替代品，但制造大面积、高效的石墨烯膜一直是一个挑战。
现在，洛桑联邦理工学院（EPFL）的一组团队，在库马尔·阿格拉瓦尔教授的领导下，开发了一种可扩展的技术，创建能够选择性过滤气体混合物中二氧化碳的多孔石墨烯膜。他们的方法降低了生产成本，同时提高了膜的质量和性能，为碳捕集及其他领域的实际应用铺平了道路。
石墨烯膜在气体分离方面表现优异，因为它们可以用适合的孔径进行工程设计，让CO₂通过，同时阻止氮等较大分子。这使得它们非常适合从发电厂和工业流程中捕获CO₂排放。但有一个问题：以有意义的规模生产这些膜一直很困难且成本高昂。
目前大多数方法依赖于昂贵的铜箔来生长制造膜所需的高质量石墨烯，并且需要精细的处理技术，这往往会引入裂纹，降低膜的效率。挑战在于找到一种经济实惠且可重复的方式来创建大面积的高质量石墨烯膜。
EPFL团队直面这些挑战。首先，他们开发了一种在低成本铜箔上生长高质量石墨烯的方法，大幅减少了材料费用。然后，他们改进了一种化学过程，使用臭氧（O₃）在石墨烯上蚀刻出微小孔隙，从而实现高度选择性的CO₂过滤。关键的是，他们改善了气体与石墨烯的相互作用，确保大面积均匀孔形成——这是实现工业规模化的关键步骤。
为了解决膜脆性的问题，研究人员还引入了一种新颖的转移技术。他们设计了一种膜模块内的直接转移流程，而不是将脆弱的石墨烯薄膜浮到支撑体上，这往往导致裂纹，从而消除处理问题，并将故障率降低到接近零。
使用他们的新方法，研究人员成功地创建了50平方厘米的石墨烯膜——远大于以前可实现的规模——且几乎完美的完整性。这些膜表现出卓越的CO₂选择性和高气体渗透性，意味着它们有效地让CO₂通过，同时阻挡不需要的气体。
此外，通过优化氧化过程，他们能够增加CO₂选择性孔的密度，进一步提升性能。计算机模拟确认，提高气体通过膜的流动在实现这些结果中起到了关键作用。
这一突破可能会改变碳捕集的游戏规则。传统的CO₂捕集技术依赖于能量密集型的化学过程，使其复杂且成本高昂，不适合广泛使用。而石墨烯膜则不需要热输入，采用简单的压驱过滤工作，大大减少了能耗。
除了碳捕集，这种方法还可以应用于其他气体分离需求，包括氢气纯化和氧气生产。凭借其可扩展的生产过程和经济实惠的材料，EPFL的创新使石墨烯膜更接近商业可行性。
