纳米金刚石增强型氧化石墨烯薄膜实现耐湿氢气分离

气候变化的加剧使得人类迫切需要削减温室气体的排放。氢气(H2)提供了一个相关削减的直接途径，因为其燃烧的产物仅是水。目前，多种工业手段可以实现氢气的制备，比如电解水和化石燃料的重组。但是，所制备的氢气不纯，需要进一步纯化。在电解水中，氢气需要与氧气分离；另一方面，化石燃料转化则会产生例如二氧化碳(CO2)等常见污染物。而且，无论哪种情况，潮湿都是不可避免的。

与传统分离技术不同， 膜分离系统不涉及额外的化学试剂或相转变。并且，膜技术能源利用效率高且易于规模扩大，有望应用于各种气体和液体的分离。然而，膜材料需要根据具体工艺进行优化，以实现高分离效率并确保操作稳定性。由于 H2 与传统膜材料的亲和力低，高 H2 筛分能力膜材料是个挑战；此外，耐湿性是设计H2 分离膜的关键因素。

我们在京都大学的团队通过积极探索材料化学来研发膜材料，以满足各种分离需求。重要的是，我们总是尝试在更实际的条件下测试膜材料的性能。我们认为，在探索膜材料局限性的同时考虑实际工艺条件的影响更具价值。

在石墨烯被发现之后，将二维材料应用到气体或液体的分离中激发了极大的科研兴趣。凭借其原子级厚度和微米级横向尺寸，石墨烯及其衍生物是设计研发尖端纳米膜的新兴材料平台。理论上，二维材料组装的分离膜可以像单原子一样薄，以最大化膜通量和最小化传输阻力，这是传统分离膜难以实现的。二维材料可控组装及其层间距所形成的亚纳米级孔隙可实现高选择性H2过膜传输。

最近，基于石墨烯所研发的先进膜材料中，氧化石墨烯（GO）分离膜极富前景。然而，该类分离膜的研发始终受限于GO纳米薄层的湿度不稳定性。当暴露于水汽中，GO膜内薄片间距会胀大。这种膨胀效应与 GO 纳米片上含氧基团的水合有关，并会导致膜结构的解体。

我们最近在 Nature Energy 的论文研究如何在保持GO分离膜H2高纯化效率的同时实现湿度稳定。为此，带正电的纳米金刚石 (ND+) 被嵌入到带负电的 GO 纳米片间。ND+ 和带负电的 GO 表面之间产生静电相互作用，所形成的超结构坚固稳定，即使在恶劣潮湿的条件下亦是如此（图 1）。

除了湿稳定之外，ND+的引入增加了总孔体积并改变了GO薄片的堆叠特征，使得膜结构更易于H2分子传输（更高的渗透性）。因此，GO/ND+ 复合膜相对于纯 GO 膜的优势在于利用ND+对 GO 膜孔结构（尺寸、曲折度和刚度）的调控。

本文所研发的高稳定复合薄层材料在能源与环境其他方面可能也具有吸引力，例如微型超级电容器、燃料电池和传感器等。

更多详情，请参阅 Nature Energy 网站上的全文：www.nature.com/articles/s41560-021-00946-y