[发明专利]石墨烯膜

说明书

本发明涉及使用膜来改变样品中的质子、氘核和氚核的相对比例的方法。所述膜包括2D材料和离聚物。本发明还涉及制作所述膜的方法。

从文献中已知石墨烯(graphene)对于所有的气体和液体是不可渗透的，如在例如J.S.Bunch等人：Impermeable atomic membranes from graphene sheets；Nano Lett.8,2458-2462(2008)中描述的。事实上，预期诸如氢的小原子不穿过石墨烯的稠密的电子云，即使在数十亿年(billions of years)的延长的时间尺度(timescale)内，如在O.Leenaerts,B.Partoens,F.M.Peeters.:Graphene:a perfectnanoballoon.Appl.Phys.Lett.93,193107(2008)中预计的。

由石墨烯及其化学衍生物制成的膜示出了优异的渗透性质。无缺陷的的单层石墨烯(defect-free single layer graphene)对于所有的气体和液体是完全不可渗透的。由于此有趣的性质，基于石墨烯的膜被认为是防渗涂层应用和保护涂层应用的完美的候选物。此外，石墨烯的机械强度、光学透明度、低毒性以及高的化学稳定性和热稳定性提供超过其他防渗透材料的优势。

尽管大量文献涉及石墨烯的不可渗透性质，然而我们现在已经制造了石墨烯和六角形氮化硼(hexagonal boron nitride)(hBN)的单层，其令人惊讶地在环境条件下对热质子即氢离子是可渗透的。本发明的原子级薄质子导体(atomically thin protonconductor)在许多基于氢的技术中具有潜在的应用，例如在氢燃料电池中提供膜，在从诸如页岩气或天然气的气体源分离氢气以及在传感/检测器/测量应用中。本发明的这些膜还得益于石墨烯的所有的优异的机械性质，意味着它们是坚固的且有弹性的并因此适合于其中机械强度也是有用的属性的多种应用。

最近，石墨烯作为可以用于开发新颖的分离技术的主要薄膜(ultimately thinmembrane)已经引起关注。例如，一项学术研究(Nair等人，Science,2012,335,442-444)已经示出，负载在多孔氧化铝上的包含具有厚度约1μm的氧化石墨烯的氧化石墨烯膜令人惊讶地对于水是可渗透的，即使它们对于氦气是不可渗透的。这些氧化石墨烯片材允许水的不受阻的渗透，其发生比He快10¹⁰倍。石墨烯的防渗性质在V.Berry:Impermeability ofgraphene and its applications.Carbon 62,1-10(2013)中被综述。

关于在很薄的材料中的质子传导率(conductivity)的先前工作已经使用基于石墨烯的层压材料或复合材料进行了。这些材料由数百万个单独的微米尺寸的石墨烯薄片(flake)组成。在这些复合材料中，因为来自薄片内部的微小的空穴(hole)/缺陷的某些小的贡献，质子在单独的石墨烯薄片之间移动。由于能障，质子实际上不能穿入并通过单独的薄片本身，而是通过在单独的薄片周围行进(navigate)来引导穿过材料的过程。相反地，在本发明的2D材料的情况下，质子移动穿过材料的主体本身，即穿过其晶体结构。鉴于文献的主体探索石墨烯和其他2D材料的不渗透性质，此结果是相当出乎意料的。

然而，不考虑石墨烯的不渗透性质，仍然可以使用石墨烯片材的适当的机械处理来开发石墨烯的极端的防渗性质。当片材以原子精度或纳米精度被穿孔以提供空穴时，石墨烯可以提供气体、液体、离子等的超快的且高选择性的筛分，并且作为尺寸排阻筛(size-exclusion sieve)有效地起作用。这是因为，在石墨烯片材的原始状态中，石墨烯片材对于在热能下移动的所有原子和分子是绝对不可渗透的，并且因此除了经由有意引入的空穴，没有材料通过。