Nature子刊：諾獎得主Geim-石墨烯基電化學泵用于氫同位素分離

【引言】

同一元素的各種同位素具有相同的核內質子數和核外電子數，因此化學性質相似，分離難度大。氫同位素的分離是聚變反應堆氘氚核燃料循環和尾氣處理的核心技術之一，因此需要探索新的分離技術來提高分離效率，降低能量損耗。

具有完美晶格結構的單層石墨烯和六方氮化硼（h-BN）薄膜在大氣環境中對所有原子和分子均不通透，卻由于電子云孔洞的存在，使其具有讓質子高度通透的特性，這一特性使石墨烯在氫分離、燃料電池等諸多涉及氫能的技術中具有應用潛力。Geim課題組的相關研究表明（Science, 2016, 351, 68），單層石墨烯和h-BN 可用于氫離子同位素分離，氘的跨膜傳輸速率遠低于質子，二者在室溫下的分離常數高達 10。該同位素效應歸因于質子與氘子間的0點能差（~60 meV），進而轉變為傳輸過程中的活化能壘差，因此為氫同位素的富集提供了有效途徑。但是，通過機械剝離法制備的微米級尺度單層石墨烯單晶制備過程繁瑣，產率極低，難以實現大規模應用，僅適用于基礎研究。

【成果簡介】

近日，英國曼徹斯特大學Sheng Zhang博士與A. K. Geim教授（共同通訊作者）在Nature Communication上發表文章“Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping”。文章報道了通過化學氣相沉積（CVD）法制備的大面積石墨烯薄膜，能有效地實現質子-氘子的分離，盡管CVD法制備的石墨烯薄膜存在缺陷與孔洞，其在室溫下分離常數仍高達8，不僅保證了分離選擇性，更實現了電流-氫氣輸出100%的法拉第電流效率（即電化學回路中每兩個電子產生一分子氫氣）。其中，研究人員建立了一套電化學泵式分離組件，石墨烯薄膜作為質子/氘子半透膜和質子-電子導體陰極部分，使H₂O–H₂和D₂O–D₂混合氣體在組件中電解再重組，最后以H₂, D₂和HD的形式富集在膜組件的另一側，實現混合同位素的分離。

[注：小編未能找到通訊作者Sheng Zhang的確切中文名，在此表示誠摯的歉意!]

【圖文導讀】

圖1.?石墨烯/Nafion(全氟磺酸)膜的組裝

a. 50μm厚Nafion膜與碳布復合結構的光學照片

b. c. 英寸級石墨烯膜的熱壓過程與銅基底的刻蝕,?石墨烯膜保留在Nafion-碳布基底

d. Pd納米粒子負載于石墨烯上，并組裝得到電化學泵式組件

圖2. 石墨烯基電化學泵式組件應用于同位素分離

a. 組件示意圖

b. c. 原料中不同氫原子分數下的分離效果柱形圖

d. 外加電流密度和氫氣產生流量的關系

圖3.?電化學泵式同位素分離組件與其他分離技術的效果比較

a. 紅色陰影部分表示文中組件在適當溫度、膜面積、操作電壓等參數下的分離參數范圍

b. 灰色陰影部分表示不適用于重水分離的參數范圍

【小結】

文中研究了石墨烯基電化學泵式組件用于氫同位素的分離，表現出了優異的分離效果（分離系數達到8），極低的能量損耗（100%的能量轉化效率），和環境友好的原材料利用。化學氣相沉積法的制備工藝有希望實現工業化，具有極好的工業化前景。

文獻鏈接：Scalable and efficient separation of hydrogen?isotopes using graphene-based electrochemical?pumping（Nature communication, 2017,?doi:10.1038/ncomms15215）

本文由材料人編輯部納米學術組大嘴巴荼荼供稿，點我加入材料人編輯部。

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