Porous Graphene as the Ultimate Membrane for Gas Separation

石墨烯 气体分离 材料科学 纳米技术 多孔性 化学工程 分离(统计) 化学 复合材料 工程类 计算机科学 生物化学 机器学习
作者
De‐en Jiang,Valentino R. Cooper,Sheng Dai
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (12): 4019-4024 被引量:915
标识
DOI:10.1021/nl9021946
摘要

We investigate the permeability and selectivity of graphene sheets with designed subnanometer pores using first principles density functional theory calculations. We find high selectivity on the order of 10(8) for H(2)/CH(4) with a high H(2) permeance for a nitrogen-functionalized pore. We find extremely high selectivity on the order of 10(23) for H(2)/CH(4) for an all-hydrogen passivated pore whose small width (at 2.5 A) presents a formidable barrier (1.6 eV) for CH(4) but easily surmountable for H(2) (0.22 eV). These results suggest that these pores are far superior to traditional polymer and silica membranes, where bulk solubility and diffusivity dominate the transport of gas molecules through the material. Recent experimental investigations, using either electron beams or bottom-up synthesis to create pores in graphene, suggest that it may be possible to employ such techniques to engineer variable-sized, graphene nanopores to tune selectivity and molecular diffusivity. Hence, we propose using porous graphene sheets as one-atom-thin, highly efficient, and highly selective membranes for gas separation. Such a pore could have widespread impact on numerous energy and technological applications; including carbon sequestration, fuel cells, and gas sensors.
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