近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究團隊在《自然·化學工程》發表了一項突破性研究，成功開發出可規模化制備的二氧化碳（CO?）選擇性多孔單層石墨烯膜。該技術通過優化材料合成與轉移工藝，解決了石墨烯膜大規模應用的三大核心難題——高成本、孔隙均勻性差和裂紋缺陷，為工業級碳捕獲提供了高效、低成本的解決方案。

背景：碳捕獲需求與石墨烯膜的潛力

全球約20%的碳排放來自工業點源（如發電廠、化工廠），而現有碳捕獲技術（如胺吸收法）能耗高、成本昂貴。多孔單層石墨烯膜因具備原子級厚度和高滲透性，被視為下一代碳捕獲材料的理想選擇。然而，此前研究受限于高昂的材料成本（商用銅箔達500-10,000美元/平方米）和難以規模化制備均勻孔隙的無缺陷膜。

技術突破：三大關鍵創新

低成本銅箔預處理

研究團隊選用價格僅10美元/平方米的工業銅箔，通過硝酸酸洗（4%濃度，10分鐘）有效去除了表面污染物和劃痕。結合反應器中氧化鋁管的引入，阻隔了石英管與銅蒸氣的副反應，成功合成出高質量單層石墨烯（圖1）。

無裂紋轉移技術

傳統轉移方法需“漂浮”石墨烯，易產生裂紋。團隊創新性地采用機械增強膜（PTMSP聚合物）直接封裝石墨烯，并在模塊內原位蝕刻銅箔，避免了機械應力損傷。50平方厘米膜的成功率接近100%（圖3），且可擴展至分米級交叉流模塊（圖4）。

大型反應器與臭氧氧化調控

設計直徑12厘米的管式反應器，可處理55厘米長的石墨烯片。通過調控臭氧（O?）流速（0.17 cm/s）和溫度（90℃），實現了500平方厘米石墨烯片上均勻生成CO?選擇性孔隙（圖2）。實驗顯示，優化后膜的CO?滲透率高達13,105 GPU（1 GPU=3.35×10?1? mol/m2·s·Pa），CO?/N?選擇性達15.1，性能遠超商用聚合物膜（圖5）。

應用價值：碳捕獲成本或降低90%

技術經濟評估顯示，石墨烯膜碳捕獲的能耗較胺吸收法降低70%，膜元件成本有望從現有聚合物膜的20-50美元/平方米降至相近水平。若實現規模化生產，工業碳捕獲成本可減少90%，尤其適用于船舶等空間受限場景。

未來展望：滾動生產與商業化路徑

論文通訊作者Kumar Varoon Agrawal表示：“這項研究為石墨烯膜的工業化奠定了基礎。下一步將優化滾壓生產工藝，推動其在電廠和航運領域的應用。”團隊已提交相關專利，并與工業伙伴合作開發試點項目。

來源：高分子科學前沿

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