日本信州大學先銳領域融合研究羣先銳材料研究所的特別特任教授金子克美等人組成的研究團隊宣佈，與早稻田大學、Fine Ceramics Center和美國密歇根大學共同開發出了可以超快速分離氫氣的石墨烯包封沸石分離膜。透過用石墨烯包裹沸石晶體，能以不同於以往的機制發揮分離性能。經應答，分離氫氣和甲烷的速度達到以往的百倍，還應答了對二氧化碳（CO2）的高分離性能，有望爲實施氫能源社會做貢獻。相關成果已經發布在國際科學期刊《Science Advances》的5月18日號上。
石墨烯包封沸石的電子顯微鏡影像（供圖：信州大學）
爲實施去碳社會，氫能源的利用備受期待，但目前全球大約95%的氫來自天然氣（甲烷）等化石資源。這種制氫方式主要採用蒸汽重組反應，透過蒸汽重組反應回收氫，但回收的氫濃度只有40-70％，需要分離未發生反應的甲烷（CH4）和氫。分離法主要採用深冷分離法，但冷卻則需要能源。因此，能源成本較低的分離膜的使用受到期待，但分離速度比較慢，而提高速度則需要加壓，到目前爲止一直未能實施節能的高速分離膜。
此次，研究團隊設計了由石墨烯和沸石構成的分離膜。新開發的分離膜利用膠體科學原理，用石墨烯薄膜包裹住疎水性沸石（MFI型沸石晶體），二者透過原子間力吸附在一起，重疊形成分離膜。石墨烯包封沸石具有自黏性，因此會緊密粘附在一起。另外，還在石墨烯上形成了多個約1~2奈米的結構缺陷（奈米窗）。
沸石晶體的表面有結構性凹凸，會在與石墨烯的界面上形成約1奈米的縫隙。氫分子約爲0.3奈米，可以立即透過界面與奈米窗，但甲烷分子約爲0.4奈米，比氫更難透過，可以利用這個特性篩選分子。
性能評估是在早稻田大學的協助下完成的，以18kN的壓力壓縮石墨烯包封沸石，製作了約6毫米見方的分離膜。測量了He、氫分子、CO2、N2CH4、異丁烷和六氟化硫氣體的透過速度，並調查了透過係數和氫分子的選擇性。
透過上述實驗應答，該分離膜具有選擇性透過He和氫分子的特性。另外還發現，氫對甲烷的分離係數爲245，但透過係數爲5.8×106barrers，性能達到常規聚合體分離透膜的一百倍以上。
研究團隊實施了幾十次分離試驗，未發現缺陷。透過改變材料使用的晶體，應該還能分離其他分子。
金子教授表示：「目前我們正在研究分離空氣中的氧氣、氮氣和氬氣等，以作爲資源加以利用。雖然與此次不同，目標主要是氧氣，但如果能實施分離膜的大型化，就可以大量分離，也可以應用這種分離來分離氧等。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Ultrapermeable 2D-channeled graphene-wrapped zeolite molecular sieving membranes for hydrogen separation
DOI：10.1126/sciadv.abl3521
URL：science.org/doi/10.1126/sciadv.abl3521
