中国青年学者一作！最新Nature大子刊：低成本石墨烯膜技术突破！

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究团队在《自然·化学工程》发表了一项突破性研究， 成功开发出可规模化制备的二氧化碳（CO₂）选择性多孔单层石墨烯膜 。该技术通过优化材料合成与转移工艺，解决了石墨烯膜大规模应用的三大核心难题——高成本、孔隙均匀性差和裂纹缺陷，为工业级碳捕获提供了高效、低成本的解决方案。

背景：碳捕获需求与石墨烯膜的潜力

全球约20%的碳排放来自工业点源（如发电厂、化工厂），而现有碳捕获技术（如胺吸收法）能耗高、成本昂贵。多孔单层石墨烯膜因具备原子级厚度和高渗透性，被视为下一代碳捕获材料的理想选择。然而，此前研究受限于高昂的材料成本（商用铜箔达500-10,000美元/平方米）和难以规模化制备均匀孔隙的无缺陷膜。

技术突破：三大关键创新

低成本铜箔预处理

研究团队选用价格仅10美元/平方米的工业铜箔，通过硝酸酸洗（4%浓度，10分钟）有效去除了表面污染物和划痕。结合反应器中氧化铝管的引入，阻隔了石英管与铜蒸气的副反应，成功合成出高质量单层石墨烯（图1）。

无裂纹转移技术

传统转移方法需“漂浮”石墨烯，易产生裂纹。团队创新性地采用机械增强膜（PTMSP聚合物）直接封装石墨烯，并在模块内原位蚀刻铜箔，避免了机械应力损伤。50平方厘米膜的成功率接近100%（图3），且可扩展至分米级交叉流模块（图4）。

大型反应器与臭氧氧化调控

设计直径12厘米的管式反应器，可处理55厘米长的石墨烯片。通过调控臭氧（O₃）流速（0.17 cm/s）和温度（90℃），实现了500平方厘米石墨烯片上均匀生成CO₂选择性孔隙（图2）。实验显示，优化后膜的CO₂渗透率高达13,105 GPU（1 GPU=3.35×10⁻¹⁰ mol/m²·s·Pa），CO₂/N₂选择性达15.1，性能远超商用聚合物膜（图5）。

应用价值：碳捕获成本或降低90%

技术经济评估显示，石墨烯膜碳捕获的能耗较胺吸收法降低70%，膜元件成本有望从现有聚合物膜的20-50美元/平方米降至相近水平。若实现规模化生产，工业碳捕获成本可减少90%，尤其适用于船舶等空间受限场景。

未来展望：滚动生产与商业化路径

论文通讯作者Kumar Varoon Agrawal表示：“这项研究为石墨烯膜的工业化奠定了基础。下一步将优化滚压生产工艺，推动其在电厂和航运领域的应用。”团队已提交相关专利，并与工业伙伴合作开发试点项目。