单层石墨烯上如何实现高密度与窄尺寸分布兼得的纳米孔？

石墨烯作为最薄的分子屏障，如果引入高密度分布的纳米孔，可以通过尺寸筛选机制高选择性分离气体，同时产生比聚合物和纳米孔膜高几个数量级的高透过率。现今气体筛分膜面临的最大瓶颈就是如何实现高密度与窄尺寸分布兼得的纳米孔？

洛桑联邦理工学院的K.V.Agrawal课题组借鉴石墨烯晶体成核、生长的机理，利用O2和O3等离子体两步刻蚀，分别从缺陷成核、孔生长入手，在单层石墨烯上精确制备出高密度、窄尺寸分布的纳米孔，并实现了破纪录的气体筛分性能。在这种合成方法中，第一步是将单层石墨烯暴露在O2等离子体中刻蚀，使得石墨烯中的缺陷密度增加达20倍。而H2的透过率仅增加6倍，这是因为此时大部分缺陷（<0.29nm）对氢气传输没有贡献。第二步是引入O3等离子体对石墨烯缺陷进行原位扩大，通过调节刻蚀时间与温度，获得高密度且孔径小于0.38nm的纳米孔，实现了H2/CH4分离系数从15.6到25.1、H2/C3H8分离系数从38.0到57.8的新突破。

本文提出了一种简单直观的调节石墨烯孔径的方法，除了气体分离，该方法制备的纳米孔还可以考虑应用于传感、催化、能量储存等领域。