Helium Tunneling through Nitrogen-Functionalized Graphene Pores: Pressure- and Temperature-Driven Approaches to Isotope Separation

量子隧道 石墨烯 纳米孔 氮气 零点能量 矩形势垒 动力学同位素效应 化学物理 化学 原子物理学 材料科学 纳米技术 凝聚态物理 物理 量子力学 有机化学
作者
Andreas Hauser,Joshua Schrier,Peter Schwerdtfeger
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:116 (19): 10819-10827 被引量:113
标识
DOI:10.1021/jp302498d
摘要

Recently, we showed that nitrogen-functionalized nanopores obtained by removing two rings from a perfect graphene sheet provide suitable barriers for a separation of fermionic helium-3 from its bosonic counterpart helium-4 [J. Phys. Chem. Lett.2012, 3, 209–213]. In this follow-up Article, we provide potential curves for helium passing through several different types of pores, discuss the relation of the barrier height to the effective pore size, give estimations for bound states of helium attached to the pores, and analyze the effects of isomeric and stoichiometric variations of the pore-rim nitrogen-passivation on the gas separation performance. Slight deviations in the tunneling probability for the two helium isotopes can lead to a high selectivity at an industrially acceptable gas flux if the gas temperature is kept sufficiently low. We also recently showed that the mass-dependence of quantum tunneling and zero-point energy differences at the top of the potential energy barrier allow for a classically prohibited steady-state thermally driven isotope separation [Chem. Phys. Lett.2012, 521, 118–124]. The nitrogen-passivated nanopores studied here give rise to larger steady-state isotopic enrichment than that in previous work and are dominated by zero-point energy differences at both high and low temperatures.
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