氫氣（H₂）作為一種清潔能源，近年來是越來越受到青睞。目前，金屬膜、多孔無機膜和聚合物膜被工業化地用于氫氣分離，但受價格和分離性能影響，它們并不適合以低成本生產高純度的氫氣。

作為這一問題的解決方案，使用二維膜材料的物理氫氣分離技術近年來引起了廣泛關注，如通過堆疊和壓縮氧化石墨烯（graphene oxide, GO）納米片制成的GO分離膜（下圖），就具有從許多氣體混合物（包括二氧化碳和氧氣）中分離氫氣的突出能力，其分離潛力比目前工業上使用的聚合物膜高出10倍。

GO膜的AFM圖像

然而，由于GO納米片與水的高親和力，傳統的GO分離膜有一個致命的缺點，就是對水敏感。這使得它們極難應用于化石來源的氫氣生產過程，因為在這些過程中會產生包括水蒸氣在內的混合氣體。為了解決這個問題，全世界都進行了深入的研究。

近期，京都大學、高輝度光科學研究中心及量子科學技術研究開發機構組成研發團隊就有針對性地通過在氧化石墨烯膜添加帶有負電荷的納米鉆石(Nanodiamond; ND)制備出了一款可抑制初期劣化，堪稱目前全球最高水平的氫氣分離膜。添加納米鉆石的意義在于，由于納米鉆石自帶負電荷，因此可以消除膜上的正電荷，抵銷靜電排斥，防止原料氣體中含有的水分子入侵分離孔內，避免膜受到擴張破壞，進而實現膜構造的安定化。

測試中，該材料被用于天然氣的水蒸氣改質工程上，同時能分離二氧化碳。經100小時的實證，氫氣的穿透性與篩選性低下狀況分別是5%、10%，遠低于既有材料的55%、70%，可望應用于環保且成本較低的氫氣制程上。研究中使用的納米鉆石粒徑為5 nm，價格低廉，不管是正極還是負極都可以攜帶電荷。分離膜中添加量30%的情況下，篩選性能上與未添加的分離膜同等，但穿透性最高可提升4倍。此外這項技術也可應用于提高內含氧化石墨烯的零件的耐濕性。

研究結果網址：

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

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