本文要点
作为传统化学吸收法的一种节能且可扩展的替代方案，基于膜法的碳捕集需要材料同时兼具分子级薄度、精确的亚纳米孔隙率和优异的机械强度——这是分离科学中长期存在的三难困境。在此，我们报道了石墨烯-无定形碳双层膜，该膜通过石墨烯引导的聚合物转化方法克服了这些权衡。利用超铺展效应，我们在石墨烯上涂覆了一层均匀、超光滑、厚度仅2 nm的聚合物衍生碳层，实现了约26.8 GPa的高杨氏模量。聚合物前驱体的受控热解生成了具有窄分布、高精度超微孔的碳网络。所得石墨烯-无定形碳膜表现出尖锐的分子筛分性能（CO₂/N₂选择性>60，H₂/CO₂选择性>70，CO₂/CH₄选择性>70），同时CO₂渗透率高达5,000气体渗透单位，超越了现有基准。结构完整性与分离性能的结合使得该膜能够高效捕集各种烟道气、合成气和天然气流中的碳，确立了石墨烯-无定形碳膜作为可持续分子分离的通用、节能平台。
研究背景
该研究针对膜法碳捕集材料需同时满足分子级薄度、亚纳米精确孔隙与优异机械强度这一分离科学三难困境，指出传统聚合物膜受渗透性-选择性权衡及塑化老化问题制约，而无机晶体膜虽性能优异却难以制备无缺陷超薄薄膜，同时借鉴生物细胞膜（约4 nm厚、蛋白质通道精确可调）的设计原型，并指出现有二维材料膜存在亚埃级精度制孔困难、孔径分布宽且存在长尾，以及因极薄（常小于1 nm）导致机械强度不足、易开裂失效两大障碍，从而提出需发展兼具超薄选择层、精确可调纳米孔和足够机械强度的新型膜材料。
图文导读
- 图1（GAC纳米膜孔结构表征）
该图展示了石墨烯-无定形碳（GAC）双层膜的设计与孔结构表征：示意图对比了单层膜孔径分布宽（a）与GAC双层膜具有精确孔道（b）；单层石墨烯经2 s等离子刻蚀后产生0.5–6 nm的宽分布非选择性大孔（c、d）；AC-HRTEM显示无定形碳层紧密覆盖石墨烯孔（e），模拟孔径分布为2–6 Å（f）；AC-STEM直接观察到碳层中丰富的<5 Å超微孔，并显示随热解温度从500 °C升至900 °C，有效筛分孔径由3.1–5.1 Å逐渐缩小至1.5–3.2 Å（g–j）；XPS和Raman表明石墨烯模板使碳层sp²/sp³比升至3.57（铜箔上仅2.22），D-G峰分离更明显，说明石墨烯促进sp²碳畴形成与结构有序化（k–n）。
- 图2（GAC纳米膜的结构与力学表征）
该图表征了GAC纳米膜的形貌与力学性能：HRTEM确认石墨烯表面被无定形碳均匀覆盖（a）；AFM显示表面超光滑（均方根粗糙度<1 nm）、最小厚度约2 nm（b）；4 nm厚GAC膜可在刻蚀铜箔后自支撑于液面并完整转移至聚丙烯腈、多孔钨、硅等多种基底，在柔性基底上可承受弯曲、褶皱及微米级尘埃而不破裂（c）；AFM纳米压痕显示4 nm GAC膜在多孔硅上可承受达600 nm的压入深度（d），力-位移曲线加载与卸载几乎无差异，呈高韧弹性行为（e）；由18个悬空区域拟合得到二维弹性模量107.2±17.8 N/m，对应杨氏模量26.80±4.44 GPa，约为传统6FDA基CMS的7.4倍，并优于多数超薄膜、聚合物及晶体膜（f）；即使压入超出量程也仅产生约2 μm微裂纹，断裂强度下限>9.52 GPa，划痕硬度约7.42 GPa。
- 图3（GAC纳米膜的形成机制）
该图揭示了GAC膜的形成机制：SEM/HRTEM对比显示SLG-聚合物双层膜存在针孔缺陷（a），经热解形成均匀GAC膜（b），而无石墨烯时直接生长于铜箔的碳膜粗糙、呈颗粒状且含缺陷（c）；AFM显示聚合物膜经碳化后粗糙度由2.28 nm降至0.712 nm（d、e），铜箔上碳膜则明显更粗糙（f）；分子动力学模拟展示聚合物在石墨烯上成核形成粗糙缺陷膜（g），加热后链段断裂并释放气体分子使膜逐渐变薄均化（h），随热解延续在石墨烯上碳化并铺平（i），石墨烯诱导局部石墨化、sp²碳快速增加并形成2–6 Å的精确超微孔，与AC-STEM结果一致；热解还通过原位形成C–C共价键和强耦合sp²杂化界面强化石墨烯-碳层界面，其中石墨烯作为承载骨架、无定形碳层钝化缺陷并均匀化应力，协同抑制应力集中与裂纹扩展。
- 图4（GAC膜的气体分离性能与普适性）
该图展示了GAC膜的分离性能与平台通用性：对CO₂/CH₄（3/7）混合气，原始SLG-2膜CO₂渗透率高达12,768.4 GPU但选择性仅6.2，引入无定形碳层后选择性随厚度显著提升（2 nm为15.4、4 nm为46.2、9 nm为73.2），4 nm膜仍保持3,729.8 GPU的高渗透率，优化石墨烯孔隙（3 s等离子处理）后GAC-3@4 nm渗透率达5,106.6 GPU、选择性31.4（a）；低CO₂进料浓度下因竞争吸附使渗透率提高21%、选择性提高31%，且宽湿度范围内性能稳定（b）；热解温度由500 °C升至900 °C使筛分窗口从CO₂/CH₄转向H₂/CO₂（c）；64天长期运行渗透率仅衰减约13.56%且选择性稳定，抗老化与塑化（d）；CO₂/CH₄性能超越2019年Robeson上限并远超工业目标（e）；对20/80 CO₂/N₂混合气，4 nm膜渗透率3,848.5 GPU、选择性41.1，9 nm膜选择性达64.4，超越上限并满足工业目标（f）；AFM显示Matrimid、PBI、PIM-1、PAN、纤维素等多种前驱体均可制得超薄GAC膜（g），Matrimid与PBI基GAC膜的H₂/CO₂选择性分别达78.3和23.2，超越2008年Robeson上限（h），且在所有评估气体对中GAC膜均显著优于纳米多孔单层石墨烯对照。
总结
鉴于减缓碳排放的迫切需求，GAC膜通过实现高选择性分子分离且传质阻力极小，为下一代碳捕集提供了一条节能且可持续的路径。超薄选择层、精确纳米孔与卓越结构稳健性的集成，能够有效降低碳捕集过程的占地和能耗，同时延长膜的使用寿命。更重要的是，GAC膜高度可调的孔结构提供了一个超越碳捕集的平台，可拓展至其他可持续分离场景，包括氢气纯化、水净化和资源回收，从而促进节能化工过程和资源的循环利用。尽管如此，实现GAC膜的实际应用仍需在可规模化制造和组件集成方面取得进一步进展，包括开发卷对卷生产等连续制造方法，以及设计能与GAC膜牢固粘附并提供机械支撑的稳健多孔基底。
文献信息
Efficient carbon dioxide separation with molecularly thin bilayer carbon membranes
https://doi.org/10.1038/s41893-026-01973-x
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