[发明专利]穿过石墨烯膜的加速输送

说明书

背景技术

除非在本文中另外指明，本部分所描述的资料并非本申请权利要求的现有技术，将这些资料包含在本部分中并非表示承认其是现有技术。

多孔石墨烯被认为是理想的用于气体分离的膜。理论和实验研究表明石墨烯晶格中的原子级空穴可基于分子大小提供显著的气体分离的选择性。此外，厚度为一个原子的单层石墨烯是理想的候选物，因为透过膜的气体渗透率随着膜厚度降低而增加。

多孔石墨烯可被认为是具有分子尺寸的孔的刚性二维筛网。小到足以经过孔的分子可穿过膜，而较大的分子可能无法穿过膜。除尺寸外，已提出了两种其它机制来描述分子穿过这种膜的移动。第一，在气相中，如果小到足以实际通过所述膜的分子没有在分子取向、动量、行进方向等方面与孔充分匹配，所述分子可能仍受统计限制。第二，在石墨烯表面，气体可能吸附到石墨烯膜自身上，并且可通过扩散而沿着表面行进到达孔。

在同等条件下，第二种机制可具有超出第一种机制的优势，因为气体的吸附除去了许多自由度并且排除了与孔对准的统计学作为因素。然而，在石墨烯表面上的气体吸着是较弱的，特别是在高温。因此，对石墨烯的吸着对于许多潜在有用的应用可能是不可行的，所述应用例如纯化从水中生产的氢或者纯化来自煤工厂的烟气的氢，当在高温进行时，两者的效率均可增加。

本公开认识到，促进经过多孔石墨烯(例如用于分离膜的多孔石墨烯)的分子流通可能是项复杂的任务。

发明内容

前述发明内容仅是说明性的，并不意在做出任何限制。除了上述的说明性方面、实施方式和特征以外，其它方面、实施方式和特征将参照附图和下文的详细说明而变得显而易见。

本公开一般性描述了包含穿孔的石墨烯层和气体吸附剂的膜。示例性膜可包括被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。示例性膜还可包括可被配置用于接触石墨烯层表面的气体吸附剂。气体吸附剂可被配置用于将吸附在气体吸附剂处的至少一种气体引导至纳米级孔中。

本公开还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个纳米级孔穿透的石墨烯层。成形的示例性方法还可包括将气体吸附剂与石墨烯层表面接触。各种示例性的形成方法可进一步包括配置气体吸附剂层以增加在石墨烯层处的至少一种气体的表面浓度。

本公开还一般性描述了从流体混合物中分离气体的方法。示例性分离方法可包括提供包含第一气体和第二气体的流体混合物。第二气体的分子大于第一气体的分子。示例性分离方法还可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。每个纳米级孔的特征在于，相比于第二气体，其直径选择性地利于第一气体通过。各种示例性分离方法可进一步包括通过将流体混合物与在石墨烯层处的气体吸附剂接触而增加在石墨烯层处的第一气体的表面浓度。示例性分离方法还可包括采用在石墨烯层中穿孔的纳米级孔根据尺寸从第二气体中选择性地分离第一气体。

本公开还一般性描述了具有存储于其上用于制造示例性膜的实例指令的示例性计算机可读存储介质。示例性指令可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。一些示例性指令还可包括通过下列项目中的一种或多种将气体吸附剂与石墨烯层的表面接触：从气体吸附剂溶液的电化学沉积；从气体吸附剂溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；气体吸附剂的原子气相沉积；气体吸附剂的原子层沉积；气体吸附剂的化学气相沉积；气体吸附剂的物理气相沉积；和/或气体吸附剂颗粒的静电沉积。

附图说明

凭借以下说明和所附的权利要求并结合附图，本公开的前述特征和其它特征将而变得更加明显可见。应理解的是，附图仅绘出了本公开的几个实施方式，因此不应认为附图是对本公开范围的限制，在此情况下，通过使用附图来更具体、更详细地描述本公开，在附图中：

图1A是示例性石墨烯单层的概念图，图示了石墨烯特征性的碳原子六方晶格和芳族键；

图1B是示例性石墨烯单层的概念图，显示了在多个位置移除一个石墨烯碳原子；

图1C是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图，包括多个可具有基本均匀孔径的离散孔，其特征在于每个孔一个碳空位缺陷；

图1D是示例性石墨烯单层的概念图，显示从多个位置的每一个移除石墨烯碳原子；

图1E是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图，包括多个可具有基本均匀孔径的离散孔，其特征在于每个孔两个碳空位缺陷；

图1F是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图；