科學家成功製備50cm²單層石墨烯膜，突破現有石墨烯氣體分離膜材料極限，為碳捕獲提供經濟型方案

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所博士畢業生、瑞士洛桑聯邦理工學院博士後研究員郝健，首次實現 50cm² 單層石墨烯氣體分離膜的製備，並具備優異的二氧化碳氣體分離性能，能為工業放大提供解決方案，從而成功地將石墨烯氣體分離膜初步從實驗室帶出來，相關論文登上近期 Nature Chemical Engineering 的封面。

據介紹，製備單層石墨烯的方法已經非常成熟，即通過化學氣相沉積將甲烷氣體在高溫條件下在銅箔表面生長而得。如今，單層石墨烯已經能從市場上買到，但本次課題開始的時候，石墨烯樣品的價格高得離譜，得花費 200 美元左右才能買一張 5cm² 的方形樣品。而且，使用這種樣品製備出來的膜存在很多缺陷，很難實現氣體分離。

而本次成果首次通過詳實的數據證明：使用 10 美元/m² 的廉價銅箔，也可以製備高品質的石墨烯氣體分離膜。

與此同時，郝健開發了一種能以均勻可控的方式在石墨烯表面造孔的方法，這些孔能夠篩分二氧化碳和氮氣，並能實現大面積的多孔石墨烯製備。

總的來說，本次成果突破了現有膜材料的極限，利用石墨烯這一二維材料的優異性能，解決了現有膜材料不可避免的劣勢，為高效碳捕獲提供更加經濟可行的方案。

石墨烯的「完美」與「不完美」

「極端天氣」「地表溫度」以及「海平面上升」，這些詞在最近十幾年出現的頻率越來越高，說明人們正處於一個需要為環境問題提出有效解決方案的時代。

這些環境問題究其原因，都在一定程度上與人類活動變得頻繁、工業發展愈加壯大有關。進一步解釋就是經濟發展需要消耗化石能源，化石能源會最終轉化成二氧化碳排放到大氣中，當大氣中二氧化碳濃度增加以後，地球就像「蓋了一層被子」一樣變暖。

儘管這一問題已經得到足夠的重視，但是二氧化碳的排放仍然呈現逐年上升的趨勢。這一形勢依舊很難扭轉，尤其是在欠發達的國家和地區。

目前，許多科研團隊正在尋找解決方案，比如利用清潔能源（風力、水力、太陽能等）代替化石能源（煤炭、天然氣）進行發電，以及大力發展新能源交通工具。

但是，這些方法帶來的減排相對於整體碳排放來講還是相對渺小，因為技術更迭往往更在乎成本的核算。不僅如此，有些領域的減排很難通過新技術實現，例如鋼鐵、水泥、石油化工以及遠洋運輸等行業，這些行業的碳排放隨著需求的旺盛，也會呈現逐年增加的趨勢。

後來，人們發現將這些行業所產生的二氧化碳捕獲起來問題或許可以得到有效緩解。我們都知道二氧化碳可以溶解在水裡變成碳酸，工業界所採取的方式是利用胺類溶劑，讓二氧化碳更多地溶解（吸收）進去，再通過加熱溶劑將二氧化碳可控釋放出來，以便進行儲存和應用。

但是，這一方法存在幾個顯著缺點：一是加熱釋放二氧化碳的過程同樣需要消耗很大能量，二是這個過程佔地大、設備複雜、投資巨大。

雖然這種方法也能有效地捕獲煙囪尾氣中的二氧化碳，亦能在工業界得到廣泛應用。但是，在上述幾個行業尤其是在遠洋運輸這種能耗高、空間有限的行業，吸收法就顯得不再可行。

要想捕獲二氧化碳還可以通過膜分離的方法實現。大約三百年前，科學家第一次發現動物膀胱可以很快地滲透水，而乙醇卻滲透得很慢。

當時的人們並不知道，膀胱就是一層膜，它可以選擇性地通過一些小的分子（水），從而將大的分子（乙醇）堵在一邊。

直到 20 世紀，科學家首次發現可以利用膜將海水中的鹽提取出來從而實現海水淡化，直至這時「膜發展」才實現從實驗室到工業界的飛躍。後來，膜被廣泛用於氣體分離等領域。

要實現二氧化碳的分離：首先，膜必須是足夠完美的，一點小小的缺陷比如裂紋就能讓幾乎所有氣體不受阻礙地通過；其次，膜要有足夠精密的孔洞，以便實現二氧化碳分子（0.33 納米）和氮氣分子（0.364 納米）的分離。

傳統的膜由高分子材料製成，像塑料一樣它具有一定的柔韌性，可以組裝成緊密捲繞的模具，而且它還具備不錯的氣體選擇性。

然而，高分子膜的熱穩定性較差，而且不能很快地透過二氧化碳，想要加快滲透就需要將膜做薄，不過做薄以後又容易帶來缺陷。

碳膜、陶瓷膜等無機材料具有優異的穩定性和耐高溫特質，但是這些材料天然易碎因此很難加工。如果有一種既薄、又韌、並擁有精密孔洞的材料，那麼使用由它製備的膜來分離二氧化碳，將具有非常顯著的應用前景，這種材料便是石墨烯。

圖 | 石墨烯（來源：https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%9F%B3%E5%A2%A8%E7%83%AF#/media/File:Graphen.jpg）

石墨烯，其實就是一個或多個原子層的石墨。單層石墨烯 (0.34 納米) 可以算得上是厚度的極限。

石墨烯的發現讓相關科學家獲得了 2010 年盧保物理學獎，獲獎的重要依據之一是後來的科學家能將石墨烯大面積地生產出來並開發出實際應用。可見，相比於科學發現，工程放大也至關重要。

儘管石墨烯可被視為一種「完美」的膜材料，但是用它製成的氣體分離膜還停留在實驗室里，面積大小還比不上一個指甲蓋大小。

郝健告訴 DeepTech，完美的石墨烯是不透氣的，即使是最小的氦氣也無法通過。通過化學氣相沉積生長出來的高品質石墨烯存在一些固有缺陷，這些缺陷雖然能讓小氣體分子透過，但是因為缺陷密度很低導致氣體透過速度很慢。而且這些缺陷的大小很難加以調控，所以難以實現的二氧化碳和氮氣的精準分離。

此外，化學氣相沉積生長出來的石墨烯需要從銅箔上轉移下來，常用方法是先在石墨烯表面塗一層高分子支撐層，然後將其漂浮在刻蝕溶液上以便能夠將銅刻蝕，接著浮在溶液表面的石墨烯可以用其他基底撈出來，最後再用溶劑將高分子支撐層溶解掉。

這種方法雖然能夠轉移石墨烯，但是操作複雜、難以大規模製備，並且轉移過程中很容易形成缺陷以至於讓膜失效。

因此，郝健希望開發一種能夠經濟、有效地製備大面積石墨烯氣體分離膜的方法，以便讓這種「完美」材料從實驗室里走出來。

先後實現 1cm² 到 50cm² 膜面積的跨越

此前，郝健所在團隊的同事在石墨烯氣體分離膜方面做了不少基礎研究工作。「所以，我是站在他們這些巨人的肩膀上繼續研究的。」他表示。

此前，該團隊發論文的時候經常會被審稿人質疑石墨烯膜的實際應用可行性，所以他和同事一直背負著將膜做大的壓力。

郝健在這裏開始博士後研究的時候，正好課題組在這方面出現人員空缺。「於是，我懵懂地開始了這個課題。」他坦言道。

由於要自行搭建化學氣相沉積合成石墨烯的設備，因此它預計合成高質量大面積石墨烯需要優化很多參數。

實際上，當他將反應容器放大以後，反應腔體似乎給反應均勻性和樣品穩定性帶來了很大幫助。因此，他和同事很快就用廉價銅箔合成了大面積、高質量的石墨烯。這也說明化學氣相沉積合成石墨烯的方法已經十分成熟，實驗室重覆也比較容易。

然而，讓人沒有預料到的是，他發現石墨烯表面出現了非常多的顆粒物，這些顆粒物直接導致所製備的膜存在很多缺陷，以至於並不具備氣體分離性能。

後來，郝健和同事在反應容器和膜轉移方法上做了大量嘗試，最終才迭代出成功的製備方案，借此穩定實現了 1cm² 級別膜的製備。

然而，後續的造孔實驗也是困難重重，為此他和同事不斷優化反應容器，耗時將近兩年時間才摸清最重要的影響因素。

隨後，他們開始重新設計模具，先後實現 1cm² 到 50cm² 膜面積的跨越，到此為止課題整整耗時四年才算結束。

在郝健整理論文的時候，把實驗模具和反應容器歸納在一起，看著它們不斷優化迭代，感覺像看著孩子不斷成長的過程。

日前，相關論文以《可擴展合成具有二氧化碳選擇性的多孔單層石墨烯膜》（Scalable synthesis of CO2-selective porous single-layer graphene membranes）為題發在 Nature Chemical Engineering[1]，郝健是第一作者，瑞士洛桑聯邦理工學院教授庫馬爾·瓦隆·阿格拿禾（Kumar Varoon Agrawal）擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Chemical Engineering）

下一步，他計劃把製備好的膜拿到工廠，通過分離真正的煙氣來測試膜的碳捕獲效率和穩定性。「預計由此得到的數據，將會帶來非常重要的實際應用價值。」他表示。

參考資料：

Hao, J., Gebolis, P.M., Gach, P.M. et al. Scalable synthesis of CO2-selective porous single-layer graphene membranes. Nat Chem Eng 2, 241–251 (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-025-00203-z

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