石墨烯-多孔材料，高效CO2捕获！最新Nature Energy！

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石墨烯-多孔材料，高效CO2捕获！最新Nature Energy！

第一作者：Kuang-Jung Hsu
通讯作者：Kumar Varoon Agrawal
通讯单位：瑞士洛桑联邦理工学院
论文速览
基于多孔二维（2D）选择性层的膜具有实现卓越性能的潜力，从而提高能效并降低碳捕获成本。目前，从2孔中分离已经利用了分子质量或大小的差异，但具有产生高渗透性和选择性潜力的二氧化碳（CO2）竞争性吸附仍然难以实现。
本论文探讨了基于多孔2D选择层的膜技术，以提高CO2捕获的性能，从而改善能源效率并降低碳捕获的成本。研究发现，通过在室温下将氨暴露于氧化单层石墨烯，可以在孔边缘引入吡啶氮，实现对CO2的高度竞争但可逆的结合。该技术展示了优异的CO2/N2分离因子（平均53）和CO2渗透率（平均10420），在含有20 wt.% CO2的气流中表现出色。此外，对于稀薄的（约1 wt.%）CO2气流，分离因子达到1000以上，显示出膜材料有望从不同的点排放源中捕获碳的潜力。
图文导读
石墨烯-多孔材料，高效CO2捕获！最新Nature Energy！
图1：吡啶氮掺杂石墨烯的CO2吸附过程。
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图2：在吡啶-N-取代的石墨烯上，吸收CO2。
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图3：在吡啶-N-取代的石墨烯上，定量可逆的CO2吸附。
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图4：EDS和拉曼光谱证实吡啶取代石墨烯中的N官能团。
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图5：吡啶取代石墨烯的CO2吸附和气体传输性能。
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图6：吡啶-N-取代石墨烯人的碳捕获性能。
总结展望
本研究开发了一种具有2D孔隙的石墨烯膜，通过在孔边缘引入吡啶氮原子，显著提高了对CO2的吸附能力和选择性。实验结果显示，该膜在稀薄CO2气流中表现出超过1,000的CO2/N2分离因子，以及高达10,420 GPU的CO2渗透率。
这些结果不仅证明了膜技术在碳捕获领域的应用潜力，也为未来开发高性能的吸附剂、传感器和催化剂提供了新的方向。研究还表明，该膜技术具有高度的可扩展性，有望在大面积样品中实现应用。
文献信息
标题：Graphene membranes with pyridinic nitrogen at pore edges for high-performance CO2 capture
期刊：Nature Energy
DOI：10.1038/s41560-024-01556-0

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