从甲烷和轻烃中有效分离氢气用于清洁能源应用仍然是膜科学的技术挑战。为了解决这个问题，我们制备了石墨烯包裹的 MFI (G-MFI) 分子筛膜，用于超快分离甲烷中的氢气，渗透率达到 5.8 × 10 ⁶，单一气体选择性为 245，混合气体选择性为 50。我们的结果设定了氢气分离的上限。根据分子动力学模拟，高效的分子筛分来自石墨烯和沸石晶面之间的亚纳米级界面空间。G-MFI 膜的分级孔结构可实现快速渗透，为高效分离氢气/甲烷和二氧化碳/甲烷提供了一条有希望的途径。
 

Figure 1. 使用 G-MFI 实现H2/CH4分离效率。( A ) 单一气体分离的 H2 /CH4分离的Robeson 图。对于 G-MFI 膜，显示了单一气体和混合气体的选择性。红线指的是 Robeson 使用聚合物膜提出的上限。 ( B ) G-MFI SEM 图像。( C ) 断裂的 G-MFI SEM 横截面图像。( D ) TEM 图像突出显示了两个用石墨烯包裹的 MFI 晶体之间的接触。( E ) 石墨烯中纳米窗的 TEM 图像。( F ) 纳米窗口尺寸分布直方图。G-MFI 膜的边缘共享模型结构，描绘了晶间空隙；显示了 MFI 的 (010) 晶面。( H ) 简化的界面模型显示了 G-MFI 膜的石墨烯和 MFI 晶面的截面图。单个石墨烯层中的纳米窗口由石墨烯层中的空白表示，尽管石墨烯层连续覆盖沸石晶体。TEM 图像显示了一些石墨烯层，其纳米窗口覆盖了真实 G-MFI 中的 MFI 沸石晶体。几层包裹可以近似为单层包裹，因为层之间的气体渗透性可以忽略不计。
 

Figure 2. G-MFI 膜的孔隙率由77 K下的 N2吸附确定。( A ) G-MFI 和 MFI 粉末的 N2吸附 (Ads.) 等温线。插图是相应的半对数图。STP，标准温度和压力。( B ) G-MFI和MFI膜的N2吸附等温线。插图是相应的半对数图。( C )压缩石墨烯的N2吸附等温线。插图是相应的半对数图。( D ) 吸附等温线和 H2、CO2和 CH4的部分填充对压力作图。液体 H2的密度(0.0711 g cm ^-3 at 20 K and 10 ⁵Pa)、固体 CO2 (1.566 g cm ^-3在 193 K 和 10 ⁵ Pa) 和液体 CH4 (0.423 g cm ^-3在 111 K 和 10 ⁵ Pa) 和 G- 的微孔体积 MFI 膜用于估计部分填充物。
 

Figure 3. G-MFI膜的气体分离性能。( A ) H2、He、CO2、N2、CH4、i-C4H10和SF₆气体的单一气体渗透率随分子大小的变化。使用 H2和 He的 MIN-2 分子大小。( B ) H2的选择性与分子大小的关系。可分离的气体包括He、CO2、N2、CH4、i-C4H10和SF₆。( C ) 分离 H2/CH4的选择性随时间变化等摩尔混合物。( D ) CO2/CH4的 Robeson 图。对于 G-MFI 膜，显示了单一气体和混合气体 CO2 /CH4的选择性以供比较。红线显示了聚合物膜的 Robeson 图。图 2 （A 和 B）中的箭头表示 i-C4H10和 SF₆的渗透率和选择性分别为最大值和最小值。
 

Figure 4. 通过 G-MFI 晶体棒膜模型的渗透机制。( A )红色H2和蓝色 CH4沿 G-MFI 晶棒模型的 (100) 和 (010) MFI 晶面的渗透轨迹。( B ) 与(001) MFI晶面接触的石墨烯上的纳米窗口；表面氧原子为红色。( C ) 石墨烯和 (100) MFI 晶面之间的界面。( D ) 石墨烯和 (010) MFI 晶面之间的界面。( E₁和E₂ ) H2和 CH4的轨迹投影 (001) 面。侧面的轨迹表示为 I、I'、II 和 II'，表示在石墨烯-MFI 界面空间的渗透。(F₁和F₂ ) 投射到 (100) 面的轨迹。红色箭头显示 H2在石墨烯-MFI 界面空间的渗透。CH4的蓝色轨迹显示CH4渗透通过孔隙，但不通过石墨烯-MFI 界面空间。( G₁和G₂ ) 投射到(010) 面的轨迹，表明H2和CH4穿过MFI晶体的孔隙。( H和I ) H2和CH4势能的时间过程。
 

Figure 5. G-MFI 渗透性和选择性。( A ) H2渗透率与 MFI 晶体界面表面积的关系曲线，由模拟和实验确定。( B ) H2/CH4选择性与 MFI 晶体界面表面积的关系图，由单一气体和混合气体的模拟和实验确定。界面面积等于模拟用MFI晶体和实验用MFI颗粒的几何外部面积。
 
      相关研究工作由信州大学Katsumi Kaneko课题组于2022年在线发表于《SCIENCE ADVANCES》期刊上，原文：Ultrapermeable 2D-channeled graphene-wrapped zeolite molecular sieving membranes for hydrogen separation。

转自《石墨烯研究》公众号