[发明专利]用于气体分离的石墨烯膜过滤器

权利要求书

1.一种气体选择性分离过滤器，其包括一个具有约0.34至2nm的厚度和大于0.001％的孔隙率的纳米多孔石墨烯膜，一个其上安装有石墨烯膜的多孔碳基底，所述多孔碳基底的孔隙率在5％至90％范围内，以及一个机械支撑石墨烯膜和多孔碳基底的多孔支撑结构。

2.如前述权利要求所述的气体选择性分离过滤器，其中所述纳米多孔石墨烯膜的孔的平均尺寸在约0.2nm至约0.5nm之间，优选在约0.25nm至0.3nm之间。

3.如前述权利要求所述的气体选择性分离过滤器，其中所述多孔碳基底的孔隙率在10％至80％的范围内，优选地大于20％，并且包括平均尺寸在约10nm至1000nm的范围内的孔，优选地在约10至100nm的范围内。

4.如前述权利要求任一所述的气体选择性分离过滤器，其中，所述多孔支撑结构的孔隙率在2％至60％的范围内，优选地大于5％，由平均尺寸在0.01μm至100μm的范围内的孔形成，优选在0.1μm至20μm的范围内，例如在1μm至10μm的范围内，并且厚度在10μm至10000μm的范围内，通常在20μm至100μm的范围内。

5.一种气体选择性分离过滤器的制备方法，包括以下步骤：

a)在牺牲支撑层上提供石墨烯膜；

b)用多孔碳基底的有机前体涂覆所述石墨烯膜；

c)对有机前体进行热解，将有机前体转化为所述的石墨烯膜上的多孔碳基底，其中所述多孔碳基底的孔隙率在5％至90％之间；

d)将组合的多孔碳基底和石墨烯膜安装在大孔支撑结构上；

e)在步骤d)之前或之后，去除牺牲支撑层的至少一部分。

6.如前述权利要求所述的方法，其中，在步骤e)中，去除所述牺牲支撑层的至少一部分包括蚀刻所述牺牲支撑层的所述部分。

7.如前述权利要求所述的方法，其中，所述蚀刻在步骤d)之前进行，以获得悬浮在所述蚀刻剂溶液中的自由组合的多孔碳基底和石墨烯膜。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤e)中，通过在液体浴中的湿转移工艺将所述组合的多孔碳基底和石墨烯膜安装在所述大孔支撑结构上。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤b)中，所述有机前体处于溶液中，例如，溶于N,N-二甲基甲酰胺的松二糖和嵌段共聚物聚苯乙烯-共聚(4-乙烯基吡啶)(PS-P4VP)的溶液，将溶液干燥直至在石墨烯膜的表面形成有机前体的膜。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中多孔结构的有机前体是两亲性嵌段共聚物，例如聚乙烯基吡啶和聚苯乙烯单体的嵌段共聚物，例如聚苯乙烯-共聚(4-乙烯基吡啶)(PS-P4VP)的嵌段共聚物。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，在约0.25至约1.5小时内，在400℃至1000℃的温度下进行热解。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，热解在H₂/Ar流下进行。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括在惰性气氛下用臭氧将所述石墨烯膜处理约1ms至约1个月，通常约30s至约60分钟。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在约25℃至200℃之间，更优选在25℃至约120℃之间的温度下用臭氧处理所述石墨烯膜。

15.如前述权利要求中任一项所述的气体选择性分离过滤器的用途，其用于分离气体，特别是从CO₂中分离H₂或CH₄。