石墨烯膜的气体透过性质研究：气体种类和层数的影响

石墨烯是仅有一个原子厚度的单层石墨层片，呈现由sp2杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯极限的超薄厚度和独特的电子云结构使其在膜分离领域表现出有趣的性质。

Bunch等研究发现，单层的完美晶格石墨烯对各种标准气体（包括氦原子）均不通透，是迄今为止最薄的理想隔膜材料。将机械剥离的石墨烯盖在氧化硅表面预先挖好的凹槽上，形成一个石墨烯密封的氧化硅微腔，如图1-1（a）所示。石墨烯膜通过与氧化硅基底的范德瓦尔斯力被紧紧固定在氧化硅表面，形成一定体积的密封气体。通过改变气体种类和石墨烯层数可以研究石墨烯膜的气体透过性质。当腔内压力和外界压力不同时，石墨烯膜会在压差的作用下鼓膜，如图1-1（b）（c）所示。然后在大气环境中，使用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）对石墨烯膜的鼓膜扫描成像。图1-1（d）测试了石墨烯鼓膜随时间变化的一系列轮廓线，据此可以转化得到理想气体的渗透速度。如图1-1（e）所示是不同厚度的石墨烯膜对不同气体的渗透速度。结果表明，气体的渗透速度和石墨烯的膜厚没有关联，这说明气体不是通过石墨烯膜渗透的，而是通过氧化硅微腔壁或石墨烯/氧化硅界面渗透的。换言之，石墨烯膜在大气环境中对所有的原子和分子均不通透。

图1-1

（a）石墨烯密封的氧化硅微腔示意图，嵌入图：单层石墨烯在氧化硅微腔上鼓膜的光镜照片，微腔尺寸是4.75μm×4.75μm×380nm；（b）石墨烯密封微腔的侧视示意图；（c）9nm厚的多层石墨烯鼓膜的轻敲模式的原子力显微镜图像；（d）在大气环境中对（a）中石墨烯鼓膜在71.3h内的AFM扫描轮廓线，嵌入图：石墨烯鼓膜中心偏差随时间的变化图；（e）气体泄漏速率随膜厚度变化的散点图(www.xing528.com)

石墨烯膜的不透性质可以用其完美的晶格结构和独特的电子云结构解释（Konatham，2013）。如图1-2所示，石墨烯的大π键形成的密集的离域电子云结构会遮挡苯环的孔隙，形成一个斥力场，即使在1～5个大气压的压差下也将阻止最小的分子（如氢和氦）透过石墨烯膜。此外，根据碳原子的范德瓦尔斯半径计算得到的苯环内部的几何孔隙直径（0.064nm）也小于氢（0.314nm）和氦（0.28nm）。

图1-2　石墨烯晶格结构：sp2杂化碳原子排列在蜂窝状点阵结构中