科研人员研发出具有耐水性和高效氢分离性能的氧化石墨烯膜

日本京都大学、量子科学技术研究开发机构的科研人员等共同组成的研究团队研发出具有高效氢分离性能的氧化石墨烯（GO）膜，既保持了GO膜原有的氢分离性能，又大幅提升了GO膜的耐水性，有望实现低成本绿色氢能源的稳定提供，推动构建低碳社会。

氧化石墨烯（GO）纳米片堆叠、压缩形成的GO膜具有良好的氢分离性能，但是耐水性差。在水中GO纳米片带负电荷，受静电斥力影响，纳米片层级间空隙增大，水进入空隙导致GO膜呈溶胀状态，结构逐渐被破坏。GO膜耐水性差的缺点致使通过GO膜制造氢气的方式仍难以应用化。虽然通过化学连接GO纳米片的方式可以改善GO膜耐水性差的问题，但是GO膜原本具有的氢分离性能会大幅下降。

科研人员探索通过抑制GO纳米片间的静电斥力，改善GO膜在水中的溶胀状态并维持其原有的氢分离性能。

纳米金刚石（ND）是具有金刚石结晶结构的纳米粒子。基于ND化学性能稳定，通过化学修饰可以使粒子表面带正电荷或负电荷这一性能，科研人员尝试将带正电荷的极微小的ND与GO膜进行组合，在不破坏GO膜结构的情况下，对GO膜的电化学性能进行控制。

实验结果显示，ND可以消除GO纳米片间的静电斥力，防止GO膜在水中溶胀。在高湿度条件下对气体分离性能进行测定后发现，未导入ND的分离膜在100小时后气体渗透能力和分离选择性分别下降55%和70%，而导入ND的分离膜仅分别下降了5%和10%，既保持了GO膜原有良好的氢分离性能，又改善了耐水性。

科研人员发现，通过调节ND的含量，可以对氢气渗透能力进行控制。在ND添加量达到30%的情况下，可使GO膜在保持原有分离选择性的基础上，将气体渗透能力最大提高4倍。

此外，组合并不仅仅局限于GO+ND这一特定组合，其他带正电荷的化学材料如笼型聚倍半硅氧烷（POSS）也可与GO膜进行组合，改善GO膜的耐水性，揭示了更为广泛的材料组合可能性。

此项研究成果在不改变GO膜原有氢分离性能的基础上，大幅改善了GO膜耐水性差这一缺点，有助于实现绿色氢能源的稳定提供，推动构建低碳社会。

原文链接：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211217/index.html

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