[發明專利]穿過石墨烯膜的加速輸送

有效

• 申請號: 201280068318.2
• 申請日: 2012-01-27
• 公開（公告）號: CN104487382B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: S·A·米勒;G·L·迪爾克森
• 申請（專利權）人: 英派爾科技開發有限公司
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D69/14;B01D71/02;B01D53/22;B01D69/06;C23C16/44
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 龐東成,丁香蘭

背景技術

除非在本文中另外指明，本部分所描述的資料并非本申請權利要求的現有技術，將這些資料包含在本部分中并非表示承認其是現有技術。

多孔石墨烯被認為是理想的用于氣體分離的膜。理論和實驗研究表明石墨烯晶格中的原子級空穴可基于分子大小提供顯著的氣體分離的選擇性。此外，厚度為一個原子的單層石墨烯是理想的候選物，因為透過膜的氣體滲透率隨著膜厚度降低而增加。

多孔石墨烯可被認為是具有分子尺寸的孔的剛性二維篩網。小到足以經過孔的分子可穿過膜，而較大的分子可能無法穿過膜。除尺寸外，已提出了兩種其它機制來描述分子穿過這種膜的移動。第一，在氣相中，如果小到足以實際通過所述膜的分子沒有在分子取向、動量、行進方向等方面與孔充分匹配，所述分子可能仍受統計限制。第二，在石墨烯表面，氣體可能吸附到石墨烯膜自身上，并且可通過擴散而沿著表面行進到達孔。

在同等條件下，第二種機制可具有超出第一種機制的優勢，因為氣體的吸附除去了許多自由度并且排除了與孔對準的統計學作為因素。然而，在石墨烯表面上的氣體吸著是較弱的，特別是在高溫。因此，對石墨烯的吸著對于許多潛在有用的應用可能是不可行的，所述應用例如純化從水中生產的氫或者純化來自煤工廠的煙氣的氫，當在高溫進行時，兩者的效率均可增加。

本公開認識到，促進經過多孔石墨烯(例如用于分離膜的多孔石墨烯)的分子流通可能是項復雜的任務。

發明內容

前述發明內容僅是說明性的，并不意在做出任何限制。除了上述的說明性方面、實施方式和特征以外，其它方面、實施方式和特征將參照附圖和下文的詳細說明而變得顯而易見。

本公開一般性描述了包含穿孔的石墨烯層和氣體吸附劑的膜。示例性膜可包括被多個納米級孔穿透的石墨烯層。示例性膜還可包括可被配置用于接觸石墨烯層表面的氣體吸附劑。氣體吸附劑可被配置用于將吸附在氣體吸附劑處的至少一種氣體引導至納米級孔中。

本公開還一般性描述了形成膜的示例性方法。方法可包括提供可被多個納米級孔穿透的石墨烯層。成形的示例性方法還可包括將氣體吸附劑與石墨烯層表面接觸。各種示例性的形成方法可進一步包括配置氣體吸附劑層以增加在石墨烯層處的至少一種氣體的表面濃度。

本公開還一般性描述了從流體混合物中分離氣體的方法。示例性分離方法可包括提供包含第一氣體和第二氣體的流體混合物。第二氣體的分子大于第一氣體的分子。示例性分離方法還可包括提供可被多個納米級孔穿透的石墨烯層。每個納米級孔的特征在于，相比于第二氣體，其直徑選擇性地利于第一氣體通過。各種示例性分離方法可進一步包括通過將流體混合物與在石墨烯層處的氣體吸附劑接觸而增加在石墨烯層處的第一氣體的表面濃度。示例性分離方法還可包括采用在石墨烯層中穿孔的納米級孔根據尺寸從第二氣體中選擇性地分離第一氣體。

本公開還一般性描述了具有存儲于其上用于制造示例性膜的實例指令的示例性計算機可讀存儲介質。示例性指令可包括提供可被多個納米級孔穿透的石墨烯層。一些示例性指令還可包括通過下列項目中的一種或多種將氣體吸附劑與石墨烯層的表面接觸：從氣體吸附劑溶液的電化學沉積；從氣體吸附劑溶液的化學沉淀；氣體吸附劑納米顆粒懸液的浸涂、旋涂、接觸印刷或噴涂；可溶性氣體吸附劑溶液的浸涂、旋涂、接觸印刷或噴涂；氣體吸附劑的原子氣相沉積；氣體吸附劑的原子層沉積；氣體吸附劑的化學氣相沉積；氣體吸附劑的物理氣相沉積；和/或氣體吸附劑顆粒的靜電沉積。

附圖說明

憑借以下說明和所附的權利要求并結合附圖，本公開的前述特征和其它特征將而變得更加明顯可見。應理解的是，附圖僅繪出了本公開的幾個實施方式，因此不應認為附圖是對本公開范圍的限制，在此情況下，通過使用附圖來更具體、更詳細地描述本公開，在附圖中：

圖1A是示例性石墨烯單層的概念圖，圖示了石墨烯特征性的碳原子六方晶格和芳族鍵；

圖1B是示例性石墨烯單層的概念圖，顯示了在多個位置移除一個石墨烯碳原子；

圖1C是示例性的穿孔的石墨烯單層的概念圖，包括多個可具有基本均勻孔徑的離散孔，其特征在于每個孔一個碳空位缺陷；

圖1D是示例性石墨烯單層的概念圖，顯示從多個位置的每一個移除石墨烯碳原子；

圖1E是示例性的穿孔的石墨烯單層的概念圖，包括多個可具有基本均勻孔徑的離散孔，其特征在于每個孔兩個碳空位缺陷；

圖1F是示例性的穿孔的石墨烯單層的概念圖；