西安交通大学孙成珍副教授:无需控制石墨烯纳米孔大小就能实现分子高选择性筛选
第一作者及通讯作者:孙成珍
通讯单位:西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
引用信息
孙成珍, 周润峰, 白博峰. 基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性. 物理化学学报, 2020, 36 (11), 1911044.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201911044
Sun, C. Z.; Zhou, R. F.; Bai B. F. Electrostatic Effect-based Selective Permeation Characteristics of Graphene Nanopores. Acta Phys. -Chim. Sin., 2020, 36 (11), 1911044.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201911044主要亮点
二维石墨烯纳米孔已被证明可作为一种可靠的分子筛,但仅仅依靠分子大小筛选效应很难实现混合气体分子的高选择性分离。本文采用分子动力学模拟方法研究表面电荷对石墨烯纳米孔分离CO2/N2 混合分子选择性的影响规律,进而实现基于静电效应的石墨烯纳米孔分子选择性渗透,为提高石墨烯纳米孔的气体分离选择性提供一种可行的方法。
研究背景:意义、现状
由于石墨烯只有一个原子层厚度,分子能以极快的速率穿过,基于二维纳米孔的多孔石墨烯分离膜作为一种新型的分离膜,可以实现混合分子的可靠分离。对于多孔石墨烯气体分离膜,其核心科学问题是气体分子在石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性;如果纳米孔的大小不能精确控制,基于分子大小的筛选效应就会失效,不能实现高选择性分离。当纳米孔过小时,分子不能穿过,不能实现选择性分离;当纳米孔过大时,不同大小的分子都能穿过,同样不能实现选择性分离。当前,纳米孔可以通过电子束、离子撞击、化学氧化等方法产生;但是对于其中任何一种方法,实现纳米孔大小的精确控制都是很大的挑战。如果能在分子大小筛选效应的基础上耦合其它筛选效应(比如静电效应),就可以大大降低对分子大小筛选效应的依赖。因此,本文采用分子动力学方法模拟研究表面电荷对石墨烯纳米孔选择性渗透特性的影响,揭示基于静电效应的石墨烯纳米孔选择性渗透特性。通过给石墨烯表面碳原子施加一系列不同大小的正负电荷,发现无选择性的石墨烯纳米孔在施加负电荷后会出现CO2/N2的分离选择性,但是正电荷没有产生选择性。同时,从分子吸附、渗透时间等多角度详细揭示了静电效应选择性的机理。本文的研究结果有助于降低多孔石墨烯分离膜制备中对纳米孔大小精确控制的要求,促进石墨烯分离膜技术的快速发展。
核心内容
1. 纳米孔的选择性
图1 电荷对石墨烯纳米孔选择性渗透特性的影响。
2. 分子吸附
图3 不同电荷密度下CO2 分子在石墨烯表面吸附层内的密度分布。
3. 分子渗透时间
图4 分子渗透时间的概率密度分布。
结论与展望
本文采用分子动力学方法模拟研究了石墨烯纳米孔基于静电效应的CO2/N2分子分离选择性,从分子吸附强度、石墨烯表面密度分布等角度揭示了其物理机制。结果表明表面施加负电荷后,石墨烯纳米孔分离CO2/N2的选择性提高,纳米孔出现了基于静电效应的选择性;但施加正电荷后,纳米孔未出现静电效应选择性。当表面施加负电荷后,CO2分子在石墨烯表面的吸附强度增加,分子的强吸附能力有助于通过表面机制来提高其渗透速率,并且分子从吸附层往纳米孔附近的供给能力也提高,从而提高CO2分子的渗透率;虽然N2分子的吸附强度不变,但CO2分子的强吸附会抑制N2分子的渗透,从而降低N2分子的渗透率,最终实现静电效应分子筛选。当表面施加正电荷后,CO2和N2分子的吸附能力都未发生变化,其渗透率也都未改变,纳米孔没有出现静电效应选择性。另外发现,随着负电荷密度的增加,CO2分子的平均渗透时间增加,说明分子吸附引起的表面渗透增强。总之,本文研究了静电效应对石墨烯纳米孔中气体分子选择性渗透的影响规律及机理,有助于实现基于静电效应的石墨烯纳米孔高选择性分子筛选。
孙成珍
1987年生,副教授,博导。荣获2020年西安交通大学青年教师跟踪支持、2017年Science Bulletin 期刊“最有影响力论文”、2016年陕西省优秀博士学位论文等奖励。博士期间分别在中国科学院大学和美国麻省理工学院联合培养1年。紧密围绕能源的开发、转换、利用过程,研究纳米孔、纳米通道等纳米尺度受限空间内分子、离子等微观粒子的能质输运过程,主要集中在纳米空间受限流体的热物理特性上。目前主要研究方向为基于二维材料分离膜的气体分离及水净化、纳米孔隙致密油藏提高采收率和基于多孔薄膜的太阳能水蒸发能源转换等。研究成果在Langmuir、ACS Nano 等期刊发表SCI论文40篇(其中,2篇ESI高引论文),EI论文10篇,会议特邀报告3次,论文被引用近千次。受邀撰写英文综述1篇、Perspective 论文1篇和英文书籍章节2篇。
2、北大深圳潘锋教授和郑家新副教授综述:锂离子电池正极材料中的极化子现象
3、化学所胡劲松研究员课题组综述:电催化CO2还原合成C2+产物的机理和材料研究进展
http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201911044