科学家成功制备50cm²单层石墨烯膜，突破现有石墨烯气体分离膜材料极限，为碳捕获提供经济型方案

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所博士毕业生、瑞士洛桑联邦理工学院博士后研究员郝健，首次实现 50cm² 单层石墨烯气体分离膜的制备，并具备优异的二氧化碳气体分离性能，能为工业放大提供解决方案，从而成功地将石墨烯气体分离膜初步从实验室带出来，相关论文登上近期 Nature Chemical Engineering 的封面。

图 | 当期期刊封面（来源：Nature Chemical Engineering）

据介绍，制备单层石墨烯的方法已经非常成熟，即通过化学气相沉积将甲烷气体在高温条件下在铜箔表面生长而得。如今，单层石墨烯已经能从市场上买到，但本次课题开始的时候，石墨烯样品的价格高得离谱，得花费 200 美元左右才能买一张 5cm² 的方形样品。而且，使用这种样品制备出来的膜存在很多缺陷，很难实现气体分离。

而本次成果首次通过详实的数据证明：使用 10 美元/m² 的廉价铜箔，也可以制备高品质的石墨烯气体分离膜。

与此同时，郝健开发了一种能以均匀可控的方式在石墨烯表面造孔的方法，这些孔能够筛分二氧化碳和氮气，并能实现大面积的多孔石墨烯制备。

总的来说，本次成果突破了现有膜材料的极限，利用石墨烯这一二维材料的优异性能，解决了现有膜材料不可避免的劣势，为高效碳捕获提供更加经济可行的方案。

石墨烯的“完美”与“不完美”

“极端天气”“地表温度”以及“海平面上升”，这些词在最近十几年出现的频率越来越高，说明人们正处于一个需要为环境问题提出有效解决方案的时代。

这些环境问题究其原因，都在一定程度上与人类活动变得频繁、工业发展愈加壮大有关。进一步解释就是经济发展需要消耗化石能源，化石能源会最终转化成二氧化碳排放到大气中，当大气中二氧化碳浓度增加以后，地球就像“盖了一层被子”一样变暖。

尽管这一问题已经得到足够的重视，但是二氧化碳的排放仍然呈现逐年上升的趋势。这一势头依旧很难扭转，尤其是在欠发达的国家和地区。

目前，许多科研团队正在寻找解决方案，比如利用清洁能源（风力、水力、太阳能等）代替化石能源（煤炭、天然气）进行发电，以及大力发展新能源交通工具。

但是，这些方法带来的减排相对于整体碳排放来讲还是相对渺小，因为技术更迭往往更在乎成本的核算。不仅如此，有些领域的减排很难通过新技术实现，例如钢铁、水泥、石油化工以及远洋运输等行业，这些行业的碳排放随着需求的旺盛，也会呈现逐年增加的趋势。

后来，人们发现将这些行业所产生的二氧化碳捕获起来问题或许可以得到有效缓解。我们都知道二氧化碳可以溶解在水里变成碳酸，工业界所采取的方式是利用胺类溶剂，让二氧化碳更多地溶解（吸收）进去，再通过加热溶剂将二氧化碳可控释放出来，以便进行储存和应用。

但是，这一方法存在几个显著缺点：一是加热释放二氧化碳的过程同样需要消耗很大能量，二是这个过程占地大、设备复杂、投资巨大。

虽然这种方法也能有效地捕获烟囱尾气中的二氧化碳，亦能在工业界得到广泛应用。但是，在上述几个行业尤其是在远洋运输这种能耗高、空间有限的行业，吸收法就显得不再可行。

要想捕获二氧化碳还可以通过膜分离的方法实现。大约三百年前，科学家第一次发现动物膀胱可以很快地渗透水，而乙醇却渗透得很慢。

当时的人们并不知道，膀胱就是一层膜，它可以选择性地通过一些小的分子（水），从而将大的分子（乙醇）堵在一边。

直到 20 世纪，科学家首次发现可以利用膜将海水中的盐提取出来从而实现海水淡化，直至这时“膜发展”才实现从实验室到工业界的飞跃。后来，膜被广泛用于气体分离等领域。

要实现二氧化碳的分离：首先，膜必须是足够完美的，一点小小的缺陷比如裂纹就能让几乎所有气体不受阻碍地通过；其次，膜要有足够精密的孔洞，以便实现二氧化碳分子（0.33 纳米）和氮气分子（0.364 纳米）的分离。

传统的膜由高分子材料制成，像塑料一样它具有一定的柔韧性，可以组装成紧密卷绕的模具，而且它还具备不错的气体选择性。

然而，高分子膜的热稳定性较差，而且不能很快地透过二氧化碳，想要加快渗透就需要将膜做薄，不过做薄以后又容易带来缺陷。

碳膜、陶瓷膜等无机材料具有优异的稳定性和耐高温特质，但是这些材料天然易碎因此很难加工。如果有一种既薄、又韧、并拥有精密孔洞的材料，那么使用由它制备的膜来分离二氧化碳，将具有非常显著的应用前景，这种材料便是石墨烯。

图 | 石墨烯（来源：https://zh.wikipedia.org/zh-cn/% ... ia/File:Graphen.jpg）

石墨烯，其实就是一个或多个原子层的石墨。单层石墨烯 (0.34 纳米) 可以算得上是厚度的极限。

石墨烯的发现让相关科学家获得了 2010 年诺贝尔物理学奖，获奖的重要依据之一是后来的科学家能将石墨烯大面积地生产出来并开发出实际应用。可见，相比于科学发现，工程放大也至关重要。

尽管石墨烯可被视为一种“完美”的膜材料，但是用它制成的气体分离膜还停留在实验室里，面积大小还比不上一个指甲盖大小。

郝健告诉 DeepTech，完美的石墨烯是不透气的，即使是最小的氦气也无法通过。通过化学气相沉积生长出来的高品质石墨烯存在一些固有缺陷，这些缺陷虽然能让小气体分子透过，但是因为缺陷密度很低导致气体透过速度很慢。而且这些缺陷的大小很难加以调控，所以难以实现的二氧化碳和氮气的精准分离。

此外，化学气相沉积生长出来的石墨烯需要从铜箔上转移下来，常用方法是先在石墨烯表面涂一层高分子支撑层，然后将其漂浮在刻蚀溶液上以便能够将铜刻蚀，接着浮在溶液表面的石墨烯可以用其他基底捞出来，最后再用溶剂将高分子支撑层溶解掉。

这种方法虽然能够转移石墨烯，但是操作复杂、难以大规模制备，并且转移过程中很容易形成缺陷以至于让膜失效。

因此，郝健希望开发一种能够经济、有效地制备大面积石墨烯气体分离膜的方法，以便让这种“完美”材料从实验室里走出来。

（来源：Nature Chemical Engineering）

先后实现 1cm² 到 50cm² 膜面积的跨越

此前，郝健所在团队的同事在石墨烯气体分离膜方面做了不少基础研究工作。“所以，我是站在他们这些巨人的肩膀上继续研究的。”他表示。

此前，该团队发论文的时候经常会被审稿人质疑石墨烯膜的实际应用可行性，所以他和同事一直背负着将膜做大的压力。

郝健在这里开始博士后研究的时候，正好课题组在这方面出现人员空缺。“于是，我懵懂地开始了这个课题。”他坦言道。

由于要自行搭建化学气相沉积合成石墨烯的设备，因此它预计合成高质量大面积石墨烯需要优化很多参数。

实际上，当他将反应容器放大以后，反应腔体似乎给反应均匀性和样品稳定性带来了很大帮助。因此，他和同事很快就用廉价铜箔合成了大面积、高质量的石墨烯。这也说明化学气相沉积合成石墨烯的方法已经十分成熟，实验室重复也比较容易。

然而，让人没有预料到的是，他发现石墨烯表面出现了非常多的颗粒物，这些颗粒物直接导致所制备的膜存在很多缺陷，以至于并不具备气体分离性能。

后来，郝健和同事在反应容器和膜转移方法上做了大量尝试，最终才迭代出成功的制备方案，借此稳定实现了 1cm² 级别膜的制备。

然而，后续的造孔实验也是困难重重，为此他和同事不断优化反应容器，耗时将近两年时间才摸清最重要的影响因素。

（来源：郝健）

随后，他们开始重新设计模具，先后实现 1cm² 到 50cm² 膜面积的跨越，到此为止课题整整耗时四年才算结束。

在郝健整理论文的时候，把实验模具和反应容器归纳在一起，看着它们不断优化迭代，感觉像看着孩子不断成长的过程。

（来源：Nature Chemical Engineering）

日前，相关论文以《可扩展合成具有二氧化碳选择性的多孔单层石墨烯膜》（Scalable synthesis of CO2-selective porous single-layer graphene membranes）为题发在 Nature Chemical Engineering[1]，郝健是第一作者，瑞士洛桑联邦理工学院教授库马尔·瓦隆·阿格拉瓦尔（Kumar Varoon Agrawal）担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Chemical Engineering）

下一步，他计划把制备好的膜拿到工厂，通过分离真正的烟气来测试膜的碳捕获效率和稳定性。“预计由此得到的数据，将会带来非常重要的实际应用价值。”他表示。

参考资料：

Hao, J., Gebolis, P.M., Gach, P.M. et al. Scalable synthesis of CO2-selective porous single-layer graphene membranes. Nat Chem Eng 2, 241–251 (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-025-00203-z