石墨烯作為最薄的分子屏障，如果引入高密度分布的納米孔，可以通過(guò)尺寸篩選機(jī)制高選擇性分離氣體，同時(shí)產(chǎn)生比聚合物和納米孔膜高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高透過(guò)率。現(xiàn)今氣體篩分膜面臨的最大瓶頸就是如何實(shí)現(xiàn)高密度與窄尺寸分布兼得的納米孔？

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的K.V.Agrawal課題組借鑒石墨烯晶體成核、生長(zhǎng)的機(jī)理，利用O2和O3等離子體兩步刻蝕，分別從缺陷成核、孔生長(zhǎng)入手，在單層石墨烯上精確制備出高密度、窄尺寸分布的納米孔，并實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的氣體篩分性能。在這種合成方法中，第一步是將單層石墨烯暴露在O2等離子體中刻蝕，使得石墨烯中的缺陷密度增加達(dá)20倍。而H2的透過(guò)率僅增加6倍，這是因?yàn)榇藭r(shí)大部分缺陷（<0.29nm）對(duì)氫氣傳輸沒(méi)有貢獻(xiàn)。第二步是引入O3等離子體對(duì)石墨烯缺陷進(jìn)行原位擴(kuò)大，通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕時(shí)間與溫度，獲得高密度且孔徑小于0.38nm的納米孔，實(shí)現(xiàn)了H2/CH4分離系數(shù)從15.6到25.1、H2/C3H8分離系數(shù)從38.0到57.8的新突破。

本文提出了一種簡(jiǎn)單直觀的調(diào)節(jié)石墨烯孔徑的方法，除了氣體分離，該方法制備的納米孔還可以考慮應(yīng)用于傳感、催化、能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域。