為加強(qiáng)歐盟未來新興技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新，歐盟在2013年開展了為期十年的“石墨烯旗艦計(jì)劃”，這也是迄今為止歐盟最大的研發(fā)資助項(xiàng)目。功夫不負(fù)有心人，隨著該計(jì)劃逐漸推進(jìn)，各個(gè)研究方向也成果喜人。近期，參與這項(xiàng)計(jì)劃的來自博洛尼亞大學(xué)的科學(xué)家們公開發(fā)聲，稱他們通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新的氣體分離膜，對(duì)氣體的選擇和滲透性已經(jīng)突破了傳統(tǒng)極限值，這項(xiàng)研究可能會(huì)在捕捉碳、儲(chǔ)碳以及氫氣凈化方面有所應(yīng)用。

市場(chǎng)上常用的氣體分離設(shè)備主要用于碳捕獲和碳儲(chǔ)存，目前工業(yè)上大部分的分離都是從氫氣中分離出二氧化碳。因?yàn)闅錃馔ǔＳ商烊粴饣蚬桃喝剂蠚饣a(chǎn)生，期間會(huì)伴隨著大量二氧化碳產(chǎn)生。鑒于氫氣使用時(shí)對(duì)純度要求很高，所以使用前必須除掉二氧化碳，所以對(duì)二氧化碳這種溫室氣體的捕捉和有效分離具有非常大的市場(chǎng)潛力。

而對(duì)于大部分的氣體分離膜（通常都是聚合物膜）而言，在進(jìn)行氣體分離時(shí)在對(duì)氣體的高選擇性和高滲透性之間存在一個(gè)權(quán)衡，兩者往往不能兼顧，這就是所謂的Robeson上限。但科學(xué)家們想了一個(gè)辦法，他們通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將單個(gè)氧化石墨烯片與聚合物片結(jié)合在一起，形成一個(gè)類似三明治的結(jié)構(gòu)，試圖克服這種限制，實(shí)現(xiàn)氣體有效且快速地分離。

那他們是怎么做到的呢？科學(xué)家們采用自下而上的方法，用自組裝技術(shù)將氧化石墨烯和聚乙烯亞胺片（PEI）交替層疊，形成氣體分離膜。他們選用氧化石墨烯而不是石墨烯，是因?yàn)樗难趸倌軋F(tuán)能使它成為水溶性的石墨烯材料，因此與聚乙烯亞胺片形成良好結(jié)合，進(jìn)一步達(dá)到劃分開單獨(dú)氧化石墨烯層的目的。

這種三明治結(jié)構(gòu)包括氧化石墨烯層和約2nm厚的超薄聚合物層，氧化石墨烯片會(huì)迫使氣體分子沿著一個(gè)曲折路徑擴(kuò)散進(jìn)聚乙烯亞胺鏈內(nèi)。但其實(shí)這些間隔開石墨烯氧化物的聚乙烯亞胺層的厚度也非常重要，它決定著通過膜的氣體流量大小。

參與這項(xiàng)研究的VincenzoPalermo教授說：“通過對(duì)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)三維膜進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如今的分層聚合物結(jié)構(gòu)，我們?cè)?00nm的超薄膜上實(shí)現(xiàn)了突破Robeson極限的氣體分離。”

更值得注意的是，他們還發(fā)現(xiàn)這些膜對(duì)各種氣體的滲透性在很大程度上取決于氣體分子的直徑。由此可見這種膜天然具有獨(dú)特的選擇性，再加上三明治結(jié)構(gòu)賦予聚合物膜很好的滲透調(diào)節(jié)性，因此Robeson上限不再是問題。除此之外，聚乙烯亞胺薄膜的成本比較低，結(jié)合這些功能來看，這種氣體分離膜在應(yīng)用中應(yīng)該具有很高的吸引力，特別適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

Palermo教授也說，通過石墨烯旗艦計(jì)劃的多方合作，他們能更好地評(píng)估這種聚合物膜進(jìn)入工廠分離氣體的可能性，并且適當(dāng)推出一些擴(kuò)展應(yīng)用。

石墨烯旗艦計(jì)劃中功能泡沫和涂層項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者XinliangFeng也對(duì)他們這項(xiàng)工作發(fā)表了自己的看法，他說：“這次的工作非常具有開創(chuàng)意義，因?yàn)樗麄儗⒍S復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的概念提升到了一個(gè)新的層次。他們使用弱靜電力在大面積范圍內(nèi)生產(chǎn)出特定的某種層狀材料和一維聚合物層疊體。用這種方法得到的分離膜與傳統(tǒng)的二維納米片在氣體分離過程表現(xiàn)大不相同。這項(xiàng)工作證明，我們可以試著通過一些化學(xué)手段來構(gòu)建出復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)我們想要的多功能性。”

石墨烯旗艦計(jì)劃的項(xiàng)目管理主席AndreaC.Ferrari教授補(bǔ)充說：“這是石墨烯旗艦計(jì)劃如何將研究的最前沿與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的又一個(gè)實(shí)例。石墨烯類材料在薄膜研究方向上的潛力在很早就得到了認(rèn)可，不過這項(xiàng)工作讓它離工業(yè)應(yīng)用又更近一步。”