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01
2026
-
04
AFM: 从“筛分”到“电化学传输”石墨烯混合导电膜实现近100%氢气纯化
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背景
氢能被视为实现碳中和的关键载体，但目前主流制氢过程（如蒸汽重整）会产生大量CO₂，形成H₂/CO₂混合气体。传统分离方法（如深冷分离、变压吸附）虽成熟，但能耗高、系统复杂。膜分离提供了一种更**的替代路径，尤其是混合质子-电子导电膜（MPEC），其通过电化学机制实现氢气选择性分离。然而，现有MPEC材料（如钙钛矿氧化物）通常需要>700 °C的高温才能实现有效质子传导，远高于实际应用窗口（200–500 °C），限制了其应用。与此同时，石墨烯等二维材料因其原子级厚度与优异导电性，被认为是构建新一代膜材料的理想平台，但其本征质子传输路径仍难以在宏观膜中**实现。
创新
近日，澳大利亚莫纳什大学王焕庭院士团队提出了一种基于二维纳米结构的石墨烯/磷酸混合质子-电子导电膜，实现了中温条件下的**氢气纯化：
双通道协同传输机制：
磷酸在纳米限域中形成氢键网络，实现快速质子传导；
石墨烯片层构建连续电子导电通路；
→ 二者耦合形成内建“电路”，无需外接电子回路；
电化学分离路径：氢气在催化层解离为质子和电子 → 分别通过膜内通道迁移 → 在另一侧重组为高纯氢气；
性能显著提升：
H₂/CO₂选择性接近100%；
氢气渗透率达69 GPU（250 °C）；
在250 °C下稳定运行超过120小时；
结构优势：通过单层聚乙烯亚胺功能化石墨烯与纳米限域磷酸的结合，实现高稳定性与连续传输路径。
这一体系本质上将膜分离从“物理筛分”升级为“电化学反应-传输耦合过程”。
意义
该工作为氢气分离与膜材料设计提供了重要突破：
机制革新：突破传统尺寸筛分或溶解扩散机制，引入“解离-迁移-重组”的电化学分离路径；
温度窗口匹配实际应用：在250 °C实现**分离，填补聚合物膜与高温陶瓷膜之间的性能空白；
材料设计新范式：通过二维纳米结构实现质子与电子协同传导；
应用潜力：适用于重整气纯化、氢能系统及膜反应器等关键场景。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XlZFpCKg00TUnvD1f2iuKA
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