Oxygen-induced multimodal ultramicroporous structure in 10-nm-thick carbon membranes for enhanced hydrogen separation

渗透 热解 碳纤维 材料科学 化学工程 渗透 选择性 气体分离 纳米技术 体积热力学 工作(物理) 纳米颗粒 化学
作者
Yueqing Shen,Cédric Van Goethem,Heng‐Yu Chi,Yinghui Li,Linyi Li,Nicole Barber,Kuang‐Jung Hsu,Daniel Ortiz Trujillo,Natalia Gasilova,Adam Squires,Shiqi Huang,Kumar Varoon Agrawal
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-73556-5
摘要

Abstract Carbon membranes yielding high selectivity as well as high permeance are attractive to advance the membrane-based gas separation. Herein, we report ultrathin carbon membranes (UCMs) which deliver enhanced gas separation performance through oxygen-modulated pyrolysis of poly(4-vinylpyridine) precursor. We show that O 2 in pyrolysis environment, transforms the otherwise uniform carbon network featuring a ~ 3.9 Å characteristic interlayer spacing into disrupted UCMs (d-UCMs). These d-UCMs possess a multimodal ultramicroporous structure characterized by distinct d-spacings of ~3.4 Å, 3.9 Å, and 5.5 Å. This optimized distribution of free volume in a 10-nm-thick membrane enables a record combination of H 2 permeance exceeding 10,000 gas permeation units (GPUs) and H 2 /N 2 mixture selectivity surpassing 200. Meanwhile, d-UCM exhibits physical and thermal stability, showing no aging over 7 days of elevated temperature permeance testing, which overcomes the common issue of rapid aging in carbon membranes. Mechanistic investigations reveal that O 2 pyrolysis environment selectively removes relatively weakly-bound carbon species, altering pyrolysis intermediates, resulting in a nitrogen-rich framework with disordered nanodomains and heterogeneous ultramicroporosity. This work advances the material chemistry of ultrathin carbon membranes, attractive for ultrafast and high-precision molecular-sieving for molecular separation.
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