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  • 石墨炔纳米多孔膜中的气体传输机理

    发布日期:2022-07-29     浏览次数:次   

    近日,我院胡晟教授与中国科学院化学研究所李玉良院士、英国曼彻斯特大学Andre K. Geim教授合作,在石墨炔纳米多孔膜的气体传输机理方面取得重要进展,相关成果以“ Gas permeation through graphdiyne-based nanoporous membranes”为题发表于Nature Communications

    基于二维 2D材料的多孔膜因其在气体分离领域的潜在用途而备受关注。与传统三维(3D)膜相比,低维薄膜的纳米级厚度具有更为快速的气体传输能力。该气体传输行为与内部孔道尺寸密切相关。当2D薄膜孔道的有效尺寸d0大于气体分子的动力学直径dk时,气体传输行为可以用经典的Knudsen理论描述;而当d0小于dk时,气体传输将遇到极大的势垒,从而导致气体传输通量的指数下降与选择性的提升。因此探究2D多孔膜材料的气体传输行为,对于设计和制备具有不同气体通量和选择性的多孔材料具有重要的指导意义。

    石墨炔是一种新型的结构碳材料,其埃尺度的晶格孔为研究气体输运机理提供了良好的基础。合作团队通过六乙炔基苯分子的偶联反应制备具有纳米多孔膜的石墨炔,其形态上可分为两部分(图a):一为厚度约90 nm的准二维平坦层,主要由平面堆叠的纳米级多层石墨炔微晶组成;二为平坦层顶部,主要由石墨炔微晶垂直生长并自组织成支架。薄膜中的气体传输实验表明,对于小分子量的气体(3He4HeNeD2HD),气体渗透行为可用Knudsen模型来描述;而对于较重的气体(ArKrXe),其传输行为明显偏离Knudsen预测。理论计算结合实验分析表明,该偏离行为不能用石墨炔晶格孔带来的空间位阻效应解释。

     

    为了揭示石墨炔薄膜中的气体渗透机理,合作团队制备了不同比例的4He与较重的惰性气体(NeArKrXe)混合气,并测量了该系列混合气的传输通量。结果表明,混合气中4He的流量与其分压之间表现出高度的非线性依赖关系,即较重惰性气体的存在抑制了4He的渗透。研究认为较重的惰性气体更容易吸附填充于孔道内壁从而导致孔道尺寸变小,进而抑制了氦的流动。这种吸附和填充作用同样会阻碍较重的惰性气体的传输,揭示了重惰性气体非Knudsen传输的微观机理。该工作揭示了石墨炔纳米多孔膜中超越Knudsen模型的选择性和极高的气体通量,以及石墨炔中气体传输的新机制。内壁吸附的气体分子会阻碍其他气体的传输,常规条件下惰性气体之间的独立流动行为不再成立。

    胡晟教授、中科院化学研究所李玉良院士以及曼彻斯特大学Andre K. Geim教授为该文章的共同通讯作者,我院2021级博士生周志华及曼彻斯特大学Yongtao Tan博士、杨倩博士为共同第一作者,我院博士生王浩、杨重阳、鲁艺珍、硕士生王灿彬参与了部分研究工作。该工作得到国家自然科学基金(2197212121790053220712512197005021875258),国家重点研发计划(2019YFA07054002018YFA0703501)等资助,同时也得到福建省嘉庚创新实验室等平台的支持。

    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31779-2

     

     

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