科研人員研發(fā)出具有耐水性和高效氫分離性能的氧化石墨烯膜

日本京都大學(xué)、量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)的科研人員等共同組成的研究團隊研發(fā)出具有高效氫分離性能的氧化石墨烯(GO)膜，既保持了GO膜原有的氫分離性能，又大幅提升了GO膜的耐水性，有望實現(xiàn)低成本綠色氫能源的穩(wěn)定提供，推動構(gòu)建低碳社會。

氧化石墨烯(GO)納米片堆疊、壓縮形成的GO膜具有良好的氫分離性能，但是耐水性差。在水中GO納米片帶負電荷，受靜電斥力影響，納米片層級間空隙增大，水進入空隙導(dǎo)致GO膜呈溶脹狀態(tài)，結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。GO膜耐水性差的缺點致使通過GO膜制造氫氣的方式仍難以應(yīng)用化。雖然通過化學(xué)連接GO納米片的方式可以改善GO膜耐水性差的問題，但是GO膜原本具有的氫分離性能會大幅下降。

科研人員探索通過抑制GO納米片間的靜電斥力，改善GO膜在水中的溶脹狀態(tài)并維持其原有的氫分離性能。

納米金剛石(ND)是具有金剛石結(jié)晶結(jié)構(gòu)的納米粒子?；贜D化學(xué)性能穩(wěn)定，通過化學(xué)修飾可以使粒子表面帶正電荷或負電荷這一性能，科研人員嘗試將帶正電荷的極微小的ND與GO膜進行組合，在不破壞GO膜結(jié)構(gòu)的情況下，對GO膜的電化學(xué)性能進行控制。

實驗結(jié)果顯示，ND可以消除GO納米片間的靜電斥力，防止GO膜在水中溶脹。在高濕度條件下對氣體分離性能進行測定后發(fā)現(xiàn)，未導(dǎo)入ND的分離膜在100 h后氣體滲透能力和分離選擇性分別下降55%和70%，而導(dǎo)入ND的分離膜僅分別下降了5%和10%，既保持了GO膜原有良好的氫分離性能，又改善了耐水性。

科研人員發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)ND的含量，可以對氫氣滲透能力進行控制。在ND添加量達到30%的情況下，可使GO膜在保持原有分離選擇性的基礎(chǔ)上，將氣體滲透能力最大提高4倍。此外，組合并不僅僅局限于GO+ND這一特定組合，其他帶正電荷的化學(xué)材料如籠型聚倍半硅氧烷(POSS)也可與GO膜進行組合，改善GO膜的耐水性，揭示了更為廣泛的材料組合可能性。

此項研究成果在不改變GO膜原有氫分離性能的基礎(chǔ)上，大幅改善了GO膜耐水性差這一缺點，有助于實現(xiàn)綠色氫能源的穩(wěn)定提供，推動構(gòu)建低碳社會。