诺奖得主最新NC：通过石墨烯中的原子孔精确筛分气体

       如果膜中的孔径与原子和分子的大小相当，它们可以穿过膜或被阻隔，从而允许根据其分子直径分离气体。工业气体分离技术广泛使用这一原理，目前往往依赖于具有不同孔隙率的聚合物膜。在分离的准确性和效率之间总是存在权衡：调整孔径越细，这种筛子允许的气体流量就越少。

       研究小组现在计划寻找这种具有大固有孔隙的二维材料，以找到未来气体分离技术最有前途的材料。这种材料确实存在。例如，有各种石墨炔，它们也是碳原子薄层的同素异形体，但尚未大规模制造。这些看起来像石墨烯，但具有更大的碳环，其大小与曼彻斯特研究人员创建和研究的单个缺陷相似。合适的尺寸可能使石墨炔非常适合气体分离。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27347-9

       摘要

       具有埃米级孔隙的二维晶体被广泛认为是下一代分子分离技术的候选者，该技术旨在提供极端的，指数级的大选择性和高流速。实验中没有这样的毛孔。本文中，我们报道了通过低强度暴露于低kV电子而产生的单个石墨烯孔隙的气体传输。氦气和氢气很容易通过这些孔隙渗透，而氙气和甲烷等较大的物质被阻挡。渗透气体经历活化屏障，随着分子的动力学直径呈二次增加，产生的孔的有效直径估计约为2埃米，大约一个缺失的碳环。我们的工作揭示了使用多孔二维膜实现长期追捧的指数选择性的严格条件，并提出对可具有性能的限制因素。

图1 在悬浮石墨烯中制造缺陷

a 我们设备的原理图。左图：单层石墨烯密封微腔被电子轰击。最初，由于粘附在侧壁上，膜在腔内下垂。右图：加压后，有缺陷的膜凸出。b 相同装置在暴露于10 keV电子之前（左）和之后（右）的AFM图像;剂量为0.5μC cm−2。这两张照片都是在将设备以3 bar的Kr中存放10天后拍摄的。白色曲线是沿膜直径的高度分布。σ是膜相对于石墨顶部表面测量的中心位置。灰度分别由左侧和右侧图像中的σ≈−15和+24 nm给出。c σ作为辐射剂量和加速度电压函数的示例。每个点都是在以3 bar Kr对设备加压后取的。虚线：视线方向; 黑色短线：σ=0。d σ（t）用于用各种气体（颜色编码）加压后，将中等大小的孔隙表示为类型2的装置。实线曲线：最佳线性拟合。插图：内部有Ar的放气装置的代表性高度剖面。

图3 埃米级别孔的表征

       a 测量的Type2毛孔的T依赖性示例（颜色编码T）。符号：Ar的实验数据，实线：线性拟合。插图：生成的阿伦尼乌斯图（相同的颜色编码）。实线曲线：最佳拟合产生EA≈0.4 eV。b 惰性气体和不同孔隙类型的EA，显示为dK的函数（注意非线性x轴）。符号：带有显示SD的误差线的实验数据，使用与图2相同的一组器件。实心曲线：最好与EA=α（dK2−d02） 使用相同的α。插图：可能的原子尺度缺陷之一（补充信息），d0接近Type2孔（蓝色圆圈的直径为2.5Å）。c 对于与b中相同的气体和EA，1bar时的撞击率ν。实线：最适合使用1/β=40 meV。蓝色阴影区域：如果贵族原子仅来自体积，则撞击率为ν0。请注意，由于J*≈10−23 mol/s/Pa的上限，我们无法获得渗透率高于Ne的气体的阿伦尼乌斯图。使用我们的实验设置可以获得的所有EA和撞击率都以b和c表示。