日本京都大學、量子科學技術研究開發機構的科研人員等共同組成的研究團隊研發出具有高效氫分離性能的氧化石墨烯（GO）膜，既保持了GO膜原有的氫分離性能，又大幅提升了GO膜的耐水性，有望實現低成本綠色氫能源的穩定提供，推動構建低碳社會。

氧化石墨烯（GO）納米片堆疊、壓縮形成的GO膜具有良好的氫分離性能，但是耐水性差。在水中GO納米片帶負電荷，受靜電斥力影響，納米片層級間空隙增大，水進入空隙導致GO膜呈溶脹狀態，結構逐漸被破壞。GO膜耐水性差的缺點致使通過GO膜制造氫氣的方式仍難以應用化。雖然通過化學連接GO納米片的方式可以改善GO膜耐水性差的問題，但是GO膜原本具有的氫分離性能會大幅下降。

科研人員探索通過抑制GO納米片間的靜電斥力，改善GO膜在水中的溶脹狀態并維持其原有的氫分離性能。

納米金剛石（ND）是具有金剛石結晶結構的納米粒子。基于ND化學性能穩定，通過化學修飾可以使粒子表面帶正電荷或負電荷這一性能，科研人員嘗試將帶正電荷的極微小的ND與GO膜進行組合，在不破壞GO膜結構的情況下，對GO膜的電化學性能進行控制。

實驗結果顯示，ND可以消除GO納米片間的靜電斥力，防止GO膜在水中溶脹。在高濕度條件下對氣體分離性能進行測定后發現，未導入ND的分離膜在100小時后氣體滲透能力和分離選擇性分別下降55%和70%，而導入ND的分離膜僅分別下降了5%和10%，既保持了GO膜原有良好的氫分離性能，又改善了耐水性。
科研人員發現，通過調節ND的含量，可以對氫氣滲透能力進行控制。在ND添加量達到30%的情況下，可使GO膜在保持原有分離選擇性的基礎上，將氣體滲透能力最大提高4倍。

此外，組合并不僅僅局限于GO+ND這一特定組合，其他帶正電荷的化學材料如籠型聚倍半硅氧烷（POSS）也可與GO膜進行組合，改善GO膜的耐水性，揭示了更為廣泛的材料組合可能性。

此項研究成果在不改變GO膜原有氫分離性能的基礎上，大幅改善了GO膜耐水性差這一缺點，有助于實現綠色氫能源的穩定提供，推動構建低碳社會。

原文鏈接：https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211217/index.html

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