可规模化制备的CO2选择性多孔单层石墨烯膜：低成本高效碳捕获新突破

《Nature Chemical Engineering》编辑推荐：针对多孔单层石墨烯(PG)膜规模化制备难题，洛桑联邦理工学院团队通过优化低成本铜箔预处理、设计大型臭氧氧化反应器及开发无浮法转移技术，成功制备出50 cm2级PG膜，实现CO2渗透率11,799 GPU(气体渗透单位)和CO2/N2选择性17.6，为碳捕获提供兼具高性能与商业可行性的膜材料解决方案。

　　

随着全球碳排放问题日益严峻，碳捕获技术成为缓解气候变暖的关键。传统胺吸收法虽成熟但能耗高，而基于多孔单层石墨烯(PG)的膜分离技术因其原子级厚度带来的超高渗透率和化学稳定性被视为革命性解决方案。然而过去十年间，PG膜的研究始终受限于三大瓶颈：依赖昂贵铜箔(500-10,000美元/m²)、缺乏大面积均匀造孔方法、转移过程中高达90%的破损率。这些问题使得PG膜的商业化应用遥不可及。

为突破这些限制，洛桑联邦理工学院Kumar Varoon Agrawal团队在《Nature Chemical Engineering》发表研究，通过系统性创新实现了PG膜从实验室到工业应用的跨越。研究首先针对原材料成本问题，发现低纯度铜箔(10美元/m²)表面微米级颗粒是导致石墨烯裂纹的主因。通过4%硝酸预处理10分钟，成功将>1μm污染物清除率提升至100%，表面粗糙度从261 nm降至150 nm，使低成本铜箔制备的石墨烯质量达到电子级标准（拉曼光谱I_2D/I_G=2.6，D峰几乎消失）。

孔工艺方面，团队设计直径12 cm的大型臭氧反应器，结合计算流体力学(CFD)优化气流分布，使O₃流速均匀性提升3倍至0.17 cm/s。通过"氧化-气化-还原"三步法（85-90°C臭氧氧化→150°C气化→600°C H₂/Ar还原），在55 cm长石墨烯上实现I_D/I_G比值1.38±0.08的均匀造孔。高分辨电镜(AC-HRTEM)显示该方法可精准控制孔隙密度，形成CO₂选择性渗透的纳米孔（孔径<1 nm）。

最具革新性的是团队开发的"模块内直接转移"技术：将聚1-(三甲基硅基)-1-丙炔机械增强膜(MRF)旋涂于PG后，直接在密封模块中用FeCl₃蚀刻铜箔，完全避免传统浮法转移。该技术使2×2 cm²膜制备成功率从文献报道的<10%提升至100%，并首次实现50 cm²级PG膜在十字流模块中的稳定运行。

关键技术方法包括：1) 优化CVD系统（160 cm长炉体+氧化铝内衬管）制备高质量石墨烯；2) 大型臭氧反应器设计及CFD模拟优化质量传递；3) PTMSP增强的模块内直接转移技术；4) 渗透率测试采用恒容变压法，CO₂渗透率单位GPU=3.35×10^-10 mol m^-2 s^-1 Pa^-1。

研究结果部分显示：
"高质量石墨烯的低成本制备"通过酸处理清除铜箔污染物，使石墨烯缺陷密度降低70%，AC-HRTEM证实获得完整单层结构。
"可扩展的CO₂选择性造孔"表明臭氧流速是控制孔隙密度的关键参数，快速流速(0.17 cm/s)使CO₂渗透孔密度提高2倍。
"无裂纹大面积转移"通过24个2×2 cm²样品验证了100%成功率，50 cm²膜CO₂渗透率达11,799 GPU，超越商业聚合物膜10倍以上。
"反应动力学与传质平衡"揭示温度从85°C升至90°C可使CO₂/N₂选择性从20.2提升至22.8。

这项研究的意义在于首次实现PG膜制备技术从"能否做"到"如何量产"的跨越。相比传统胺法，PG膜工艺仅需电能驱动，理论能耗降低40%，且模块化设计适合船舶等移动排放源。技术经济分析显示，若美元/m²铜箔，膜元件成本可接近聚合物膜(20-50美元/m²)。研究团队已就该技术申请专利(EP24207662.8)，为全球碳捕获提供了兼具高性能与商业可行性的解决方案。