Nature子刊：诺奖得主Geim-石墨烯基电化学泵用于氢同位素分离

【引言】

同一元素的各种同位素具有相同的核内质子数和核外电子数，因此化学性质相似，分离难度大。氢同位素的分离是聚变反应堆氘氚核燃料循环和尾气处理的核心技术之一，因此需要探索新的分离技术来提高分离效率，降低能量损耗。

具有完美晶格结构的单层石墨烯和六方氮化硼（h-BN）薄膜在大气环境中对所有原子和分子均不通透，却由于电子云孔洞的存在，使其具有让质子高度通透的特性，这一特性使石墨烯在氢分离、燃料电池等诸多涉及氢能的技术中具有应用潜力。Geim课题组的相关研究表明（Science, 2016, 351, 68），单层石墨烯和h-BN 可用于氢离子同位素分离，氘的跨膜传输速率远低于质子，二者在室温下的分离常数高达 10。该同位素效应归因于质子与氘子间的0点能差（~60 meV），进而转变为传输过程中的活化能垒差，因此为氢同位素的富集提供了有效途径。但是，通过机械剥离法制备的微米级尺度单层石墨烯单晶制备过程繁琐，产率极低，难以实现大规模应用，仅适用于基础研究。

【成果简介】

近日，英国曼彻斯特大学Sheng Zhang博士与A. K. Geim教授（共同通讯作者）在Nature Communication上发表文章“Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping”。文章报道了通过化学气相沉积（CVD）法制备的大面积石墨烯薄膜，能有效地实现质子-氘子的分离，尽管CVD法制备的石墨烯薄膜存在缺陷与孔洞，其在室温下分离常数仍高达8，不仅保证了分离选择性，更实现了电流-氢气输出100%的法拉第电流效率（即电化学回路中每两个电子产生一分子氢气）。其中，研究人员建立了一套电化学泵式分离组件，石墨烯薄膜作为质子/氘子半透膜和质子-电子导体阴极部分，使H₂O–H₂和D₂O–D₂混合气体在组件中电解再重组，最后以H₂, D₂和HD的形式富集在膜组件的另一侧，实现混合同位素的分离。

[注：小编未能找到通讯作者Sheng Zhang的确切中文名，在此表示诚挚的歉意!]

【图文导读】

图1. 石墨烯/Nafion(全氟磺酸)膜的组装

a. 50μm厚Nafion膜与碳布复合结构的光学照片

b. c. 英寸级石墨烯膜的热压过程与铜基底的刻蚀, 石墨烯膜保留在Nafion-碳布基底

d. Pd纳米粒子负载于石墨烯上，并组装得到电化学泵式组件

图2. 石墨烯基电化学泵式组件应用于同位素分离

a. 组件示意图

b. c. 原料中不同氢原子分数下的分离效果柱形图

d. 外加电流密度和氢气产生流量的关系

图3. 电化学泵式同位素分离组件与其他分离技术的效果比较

a. 红色阴影部分表示文中组件在适当温度、膜面积、操作电压等参数下的分离参数范围

b. 灰色阴影部分表示不适用于重水分离的参数范围

【小结】

文中研究了石墨烯基电化学泵式组件用于氢同位素的分离，表现出了优异的分离效果（分离系数达到8），极低的能量损耗（100%的能量转化效率），和环境友好的原材料利用。化学气相沉积法的制备工艺有希望实现工业化，具有极好的工业化前景。

文献链接：Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping（Nature communication, 2017, doi:10.1038/ncomms15215）

本文由材料人编辑部纳米学术组大嘴巴荼荼供稿，点我加入材料人编辑部。

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