碳中和 | 石墨烯高效过滤器将碳捕获成本降低2-4倍

如今，化石燃料的燃烧、汽车尾气、钢铁水泥以及各种现代工业品的生产过程产生二氧化碳，这些二氧化碳源源不断地排放到大气中，远远超出了自然环境的自净能力，大量二氧化碳让温室效应不断加剧。

 

作为温室效应的罪魁祸首，二氧化碳对环境的危害不言而喻，虽然现在也有一些技术可以吸收二氧化碳，但问题是从工业排放的废气中捕获二氧化碳的成本居高不下。造成这种情况的原因是工业废气中并不是单纯的二氧化碳，而是二氧化碳与氮气以及其他各种气体的混合物。因此，基于目前的技术从废气中单独提取二氧化碳需要消耗额外的能源，当然这也就意味着要花费更多的费用。

 

多年以来，研究人员一直在致力于寻找一种成本较低而且可以高效吸收二氧化碳的设备或工艺，比如一种新型的二氧化碳过滤器，可以从工业废气的混合气体中过滤出二氧化碳，然后将其单独进行储存或者转化成其他有用的化学物质。

 

来自洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院的 Kumar Varoon Agrawal 教授对此表示：“然而，目前二氧化碳过滤器的性能受限于现有材料基本特性。”于是，他便带领一个化学工程师团队，独辟蹊径地采用石墨烯材料研制出新型的二氧化碳过滤器。这种石墨烯过滤器不但非常薄，关键是它可以将二氧化碳从工业废气的混合气体中分离出来，而且在效率和速度方面也远超市面上的大多数过滤器。

 

目前，Agrawal 教授已经在 Science Advances 上发表了题为“毫秒级晶格气化用于单层石墨烯中高密度筛分纳米孔”的论文来介绍这项研究成果。

 

石墨烯过滤器的制备过程

 

石墨烯的发现曾在 2010 年获得诺贝尔物理学奖，而且，石墨烯堪称享誉全球的“神奇材料”。

 

对于这种石墨烯过滤器是如何制造出来的，“我们采用的方法非常简单。”Agrawal 教授说道，“我们在石墨烯上制备了二氧化碳分子大小的小孔，这些小孔使得二氧化碳能够通过，同时阻挡了氮气等其他比二氧化碳分子大的气体。”

 

Agrawal 的研究小组通过刻蚀单层石墨烯，使其具有亚埃精度的高孔密度，而这正是实现类似尺寸气体分子（比如二氧化碳和氮气）高通量分离的关键所在。然而，想达到如此高的精度，这对刻蚀动力学也提出了更高的要求。

 

在制备过程中，Agrawal 研究小组使用了毫秒级的碳气化化学过程，其中包含高密度的功能性氧簇，然后在受控和可预测的气化条件下在二氧化碳筛分空位缺陷中演化，最后，在氧气气氛中，通过空位缺陷的原位扩展，分子截止可以调整 0.1Å。

 

分子分离是工业过程中的关键组成部分，也是碳捕获等环境问题的核心，通过使用高性能分子筛膜，根据气体的动力学直径分离气体，可大大降低分离过程的能源效率和资本成本。

 

具体而言，通过在单层石墨烯（SLG）晶格中引入空位缺陷制备的气体筛分纳米多孔单层石墨烯（N-SLG），对于高通量二氧化碳和氧气分离非常有吸引力，因为扩散阻力由纳米孔处的单一过渡态控制。通过增加二氧化碳的渗透性，可以显著提高分离过程的能源效率。

 

虽然石墨烯纳米孔确实可以分离出含有类似大小分子的工业相关混合物，将这些纳米孔以足够窄的孔径分布（Pore Size Distribution 简称 PSD）并入石墨烯中以获得分子分化所需的亚埃分辨率仍然是一个挑战。

 

Agrawal 研究小组已经证明具有宽 PSD 的 N-SLG 可以用于气体分离，尽管在石墨烯上使用额外的气体选择层。原则上，化学蚀刻技术可以通过减慢蚀刻动力学，例如，使用低温或小浓度蚀刻剂来获得二氧化碳选择性纳米孔。

 

然而，基于迟滞动力学的方法无法实现实现高通量分离的主要目标所需的有意义的孔密度，因此，迫切需要开发快速刻蚀动力学与短而可控的孔扩张时间相结合的方法。刻蚀方法存在其固有的局限性：孔膨胀的速度比孔成核的速度快得多，例如，涉及高能电子或离子轰击的纳米制造路线涉及 20 至 23 eV 的能量势垒以从基面置换碳原子，远高于从孔边缘置换碳原子所需的能量。

 

Agrawal 研究小组通过使用定制的毫秒气化反应器（MGR），可以将空位缺陷的扩展时间控制到几毫秒，通过毫秒气化将高密度的空位缺陷精确地结合到石墨烯中。高孔密度加上由缺失的 1 到 20 个碳原子组成的窄 PSD 导致具有吸引力的二氧化碳/氮气和二氧化碳/甲烷选择性。

 

带来更高的经济价值

 

Agrawal 研究小组表示，通过在膜组件内部原位缓慢扩张纳米孔得到的膜具有很好的筛分性能，这使得这些膜非常有希望用于高效节能的碳捕获。

 

这里可以进行简单比较，当前的二氧化碳过滤器要求超过 1000 个气体渗透单位（GPUs），而碳捕获特性（称为“分离因子”）必须高于 20。Agrawal 研究小组开发的膜在 11800 个 GPUs 时显示出超过 10 倍的二氧化碳透过率，而其“分离因子”达到 22.5。结果证明，这种新型石墨烯过滤器的碳捕获性能创下了历史新高。

 

对此，Agrawal 说：“我们估计，这项技术将使碳捕获成本降低近 30 美元/吨二氧化碳，而其他商业技术的成本要比这高出 2 到 4 倍。”。