日本信州大学先锐领域融合研究群先锐材料研究所的特别特任教授金子克美等人组成的研究团队宣布，与早稻田大学、Fine Ceramics Center和美国密歇根大学共同开发出了可以超快速分离氢气的石墨烯包封沸石分离膜。通过用石墨烯包裹沸石晶体，能以不同于以往的机理发挥分离性能。经确认，分离氢气和甲烷的速度达到以往的百倍，还确认了对二氧化碳（CO2）的高分离性能，有望为实现氢能源社会做贡献。相关成果已经发布在国际科学期刊《Science Advances》的5月18日号上。
石墨烯包封沸石的电子显微镜图像（供图：信州大学）
为实现脱碳社会，氢能源的利用备受期待，但目前全球大约95%的氢来自天然气（甲烷）等化石资源。这种制氢方式主要采用水蒸气重整反应，通过水蒸气重整反应回收氢，但回收的氢浓度只有40-70％，需要分离未发生反应的甲烷（CH4）和氢。分离法主要采用深冷分离法，但冷却则需要能源。因此，能源成本较低的分离膜的使用受到期待，但分离速度比较慢，而提高速度则需要加压，到目前为止一直未能实现节能的高速分离膜。
此次，研究团队设计了由石墨烯和沸石构成的分离膜。新开发的分离膜利用胶体科学原理，用石墨烯薄膜包裹住疎水性沸石（MFI型沸石晶体），二者通过原子间力吸附在一起，重叠形成分离膜。石墨烯包封沸石具有自粘性，因此会紧密粘附在一起。另外，还在石墨烯上形成了多个约1~2纳米的结构缺陷（纳米窗）。
沸石晶体的表面有结构性凹凸，会在与石墨烯的界面上形成约1纳米的缝隙。氢分子约为0.3纳米，可以立即通过界面与纳米窗，但甲烷分子约为0.4纳米，比氢更难通过，可以利用这个特性筛选分子。
性能评估是在早稻田大学的协助下完成的，以18kN的压力压缩石墨烯包封沸石，制作了约6毫米见方的分离膜。测量了He、氢分子、CO2、N2CH4、异丁烷和六氟化硫气体的通过速度，并调查了透过系数和氢分子的选择性。
通过上述实验确认，该分离膜具有选择性通过He和氢分子的特性。另外还发现，氢对甲烷的分离系数为245，但透过系数为5.8×106barrers，性能达到常规高分子分离膜的一百倍以上。
研究团队实施了几十次分离试验，未发现缺陷。通过改变材料使用的晶体，应该还能分离其他分子。
金子教授表示：“目前我们正在研究分离空气中的氧气、氮气和氩气等，以作为资源加以利用。虽然与此次不同，目标主要是氧气，但如果能实现分离膜的大型化，就可以大量分离，也可以应用这种分离来分离氧等。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：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
