研究前沿：氧化石墨烯膜材料 | Nature Nanotechnology

引子：当前先进膜分离技术主要依赖于石墨烯、氧化石墨烯GO、富勒烯、MXene、共价有机框架COF和金属有机框架MOF等材料，并具有亚纳米至纳米尺度的通道

氧化石墨烯Graphene oxide (GO) 膜材料，提供高选择性和高能效的气体分离。然而，氧化石墨烯致密的层状结构和曲折的扩散路径限制了渗透性，对工业应用构成了障碍。

近日，新加坡国立大学Pengxiang Zhang, Qian Wang，Daria V. Andreeva等，在Nature Nanotechnology上发文，提出了一种方法来提高选择性和渗透性，保持这种氧化石墨烯膜的结构稳定性。

通过工业上友好的制造方法，生产了具有由多域结构控制的气体扩散路径的褶皱GO膜。这些膜材料，实现了约2.1×10^4Barrer的H2渗透率，显著超过了低于100Barrer的平片状GO膜的渗透率。H2/CO2选择性91优于当前的膜技术。此外，在苛刻条件（−20°C，96%相对湿度）下，折皱膜表现出了稳定性，这是实际应用的关键要求。

这项工作，解决了长期存在的渗透性-选择性权衡问题，并建立了强大的、可扩展的材料体系，用于将二维材料集成到膜技术的实际应用。

图1: 无缺陷平氧化石墨烯Defect-free flat Graphene oxide，fGO和褶皱crumpled，cGO膜的组装。

图2: 调整褶皱膜的渗透性、选择性和稳定性以及基准比较。

图3: 在热变形过程中，控制应变的厚度变化。

图4: 结构参数与渗透性-选择性之间关系。

该项研究，通过应变诱导褶皱策略，制备了高性能氧化石墨烯（GO）气体分离膜。该膜实现氢气（H₂）渗透性高达2.1×10⁴ barrer（较传统GO膜提升200倍），同时保持H₂/CO₂选择性91（混合气中达113.5）。关键创新在于热收缩聚苯乙烯模板诱导GO片层形成多域褶皱结构：宽通道（>3Å）加速气体传输，窄通道（3Å）实现分子筛分。膜在-20°C至80°C及96%湿度下性能稳定，连续运行超100小时无衰减。工业模拟显示，3 bar压力下即可实现99.5%氢气纯度，脱碳成本仅0.12美元/kg CO₂，为氢能及碳捕集提供高效解决方案。

文献链接

Strain-induced crumpling of graphene oxide lamellas to achieve fast and selective transport of H₂ and CO₂.

石墨烯氧化物片层的应变诱导皱缩，以实现H2和CO2的快速和选择性传输。

Zhang, P., Wang, Q., Zhang, Y. et al. Strain-induced crumpling of graphene oxide lamellas to achieve fast and selective transport of H₂ and CO₂. Nat. Nanotechnol. (2025).

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01971-8

本文译自Nature。