CN104487382B - 穿过石墨烯膜的加速输送 - Google Patents

Abstract

一般性描述了用于可包含被多个纳米级孔穿透的石墨烯层的膜的技术。所述膜还可包含可配置用于接触石墨烯层表面的气体吸附剂。气体吸附剂可配置用于将吸附在气体吸附剂的至少一种气体引导到纳米级孔中。所述纳米级孔可具有下述直径：所述直径相比于第二气体选择性地促进第一气体通过，以便从两种气体的流体混合物中分离第一气体。所述气体吸附剂可增加石墨烯层处的第一气体的表面浓度。与用于气体分离的常规石墨烯和聚合物膜相比，这类膜可展现出改进的性质，例如，更高的选择性、更大的气体渗透速率等。

Description

穿过石墨烯膜的加速输送

背景技术

除非在本文中另外指明，本部分所描述的资料并非本申请权利要求的现有技术，将这些资料包含在本部分中并非表示承认其是现有技术。

多孔石墨烯被认为是理想的用于气体分离的膜。理论和实验研究表明石墨烯晶格中的原子级空穴可基于分子大小提供显著的气体分离的选择性。此外，厚度为一个原子的单层石墨烯是理想的候选物，因为透过膜的气体渗透率随着膜厚度降低而增加。

多孔石墨烯可被认为是具有分子尺寸的孔的刚性二维筛网。小到足以经过孔的分子可穿过膜，而较大的分子可能无法穿过膜。除尺寸外，已提出了两种其它机制来描述分子穿过这种膜的移动。第一，在气相中，如果小到足以实际通过所述膜的分子没有在分子取向、动量、行进方向等方面与孔充分匹配，所述分子可能仍受统计限制。第二，在石墨烯表面，气体可能吸附到石墨烯膜自身上，并且可通过扩散而沿着表面行进到达孔。

在同等条件下，第二种机制可具有超出第一种机制的优势，因为气体的吸附除去了许多自由度并且排除了与孔对准的统计学作为因素。然而，在石墨烯表面上的气体吸着是较弱的，特别是在高温。因此，对石墨烯的吸着对于许多潜在有用的应用可能是不可行的，所述应用例如纯化从水中生产的氢或者纯化来自煤工厂的烟气的氢，当在高温进行时，两者的效率均可增加。

本公开认识到，促进经过多孔石墨烯(例如用于分离膜的多孔石墨烯)的分子流通可能是项复杂的任务。

发明内容

前述发明内容仅是说明性的，并不意在做出任何限制。除了上述的说明性方面、实施方式和特征以外，其它方面、实施方式和特征将参照附图和下文的详细说明而变得显而易见。

本公开一般性描述了包含穿孔的石墨烯层和气体吸附剂的膜。示例性膜可包括被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。示例性膜还可包括可被配置用于接触石墨烯层表面的气体吸附剂。气体吸附剂可被配置用于将吸附在气体吸附剂处的至少一种气体引导至纳米级孔中。

本公开还一般性描述了形成膜的示例性方法。方法可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。成形的示例性方法还可包括将气体吸附剂与石墨烯层表面接触。各种示例性的形成方法可进一步包括配置气体吸附剂层以增加在石墨烯层处的至少一种气体的表面浓度。

本公开还一般性描述了从流体混合物中分离气体的方法。示例性分离方法可包括提供包含第一气体和第二气体的流体混合物。第二气体的分子大于第一气体的分子。示例性分离方法还可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。每个纳米级孔的特征在于，相比于第二气体，其直径选择性地利于第一气体通过。各种示例性分离方法可进一步包括通过将流体混合物与在石墨烯层处的气体吸附剂接触而增加在石墨烯层处的第一气体的表面浓度。示例性分离方法还可包括采用在石墨烯层中穿孔的纳米级孔根据尺寸从第二气体中选择性地分离第一气体。

本公开还一般性描述了具有存储于其上用于制造示例性膜的实例指令的示例性计算机可读存储介质。示例性指令可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。一些示例性指令还可包括通过下列项目中的一种或多种将气体吸附剂与石墨烯层的表面接触：从气体吸附剂溶液的电化学沉积；从气体吸附剂溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；气体吸附剂的原子气相沉积；气体吸附剂的原子层沉积；气体吸附剂的化学气相沉积；气体吸附剂的物理气相沉积；和/或气体吸附剂颗粒的静电沉积。

附图说明

凭借以下说明和所附的权利要求并结合附图，本公开的前述特征和其它特征将而变得更加明显可见。应理解的是，附图仅绘出了本公开的几个实施方式，因此不应认为附图是对本公开范围的限制，在此情况下，通过使用附图来更具体、更详细地描述本公开，在附图中：

图1A是示例性石墨烯单层的概念图，图示了石墨烯特征性的碳原子六方晶格和芳族键；

图1B是示例性石墨烯单层的概念图，显示了在多个位置移除一个石墨烯碳原子；

图1C是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图，包括多个可具有基本均匀孔径的离散孔，其特征在于每个孔一个碳空位缺陷；

图1D是示例性石墨烯单层的概念图，显示从多个位置的每一个移除石墨烯碳原子；

图1E是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图，包括多个可具有基本均匀孔径的离散孔，其特征在于每个孔两个碳空位缺陷；

图1F是示例性的穿孔的石墨烯单层的概念图；

图2A至2D是显示各种示例性膜及其成分的侧视图和俯视图的概念图，其包含处于各种配置的气体吸附剂；

图3A是与渗透性基底接触的示例性膜的侧视图；

图3B是与渗透性基底和气体吸附剂接触的示例性膜的侧视图，图示了第一气体分子的吸附和分离；

图4A是显示在石墨烯单层中形成多个离散孔的方法的概念图，其包括在相邻试剂之间的空间相互作用；

图4B是显示可在石墨烯单层中形成多个离散孔的方法中包含的额外操作的概念图；

图4C描绘对应于图4A和图4B中示出的总体方案的示例性反应图解；

图5A描绘示例性反应图解，其中示例性石墨烯单层可与多个具有取代基的氮宾自由基接触；

图5B描绘可用于从氮宾试剂形成含有单碳空位缺陷的孔的示例性反应图解；

图5C描绘可用于从氮宾试剂形成含有双碳空位缺陷的孔的示例性反应图解；

图5D描绘在从活化的氧代试剂(oxy reagent)形成含有双碳空位缺陷的孔的过程中采用1,2二醚以形成1,2二醇中间化合物的示例性反应图解；

图5E描绘在从活化的氧代试剂形成含有双碳空位缺陷的孔的过程中采用1,2二酯部分以形成1,2二醇中间化合物的示例性反应图解；

图6A和6B是显示可用于制造示例性膜和示例性的穿孔的石墨烯单层的操作的流程图；

图7A和7B是可用于制造示例性膜或示例性的穿孔的石墨烯单层的自动化机器700的方框图；

图8图示可用于在制造示例性膜或示例性的穿孔的石墨烯单层时控制图7A和7B的自动化机器的通用计算装置；并且

图9A和9B图示可用于在制造示例性膜或示例性的穿孔的石墨烯单层时控制图7A和7B的自动化机器或类似的制造装置的示例性计算机程序产品的方框图；

所有附图内容都根据本文所述的至少一些实施方式来设置。

具体实施方式

在以下的详细说明中将参照附图，附图构成了以下说明的一部分。在附图中，除非上下文另有指明，相似的符号通常指示相似的组成部分。在详细的说明、附图和权利要求中所描述的说明性实施方式并不意在进行限制。在不脱离本文所呈现的主题的主旨或范围的情况下，可以使用其它实施方式，并可以做出其它修改。容易理解的是，本文所一般性描述的以及附图中所图示的本公开的各方面可以以多种不同的配置来设置、替换、组合、分离和设计，这些都明确地涵盖在本文中。

本公开总体上特别涉及与制造或使用包含穿孔的石墨烯层和气体吸附剂的膜(诸如可用于气体分离的膜)有关的组合物、方法、装置、***、设备和/或计算机程序产品。

简言之，总体描述了用于可包含被多个纳米级孔穿透的石墨烯层的膜的技术。实例膜还可包含可配置用于接触石墨烯层表面的气体吸附剂。气体吸附剂可配置用于将吸附在气体吸附剂的至少一种气体引导到纳米级孔中。在一些实例中，纳米级孔可具有相比于第二气体选择性地利于第一气体通过的直径，以便从两种气体的流体混合物中分离第一气体。在一些实例中，气体吸附剂可增加石墨烯层处的第一气体的表面浓度。这种实例膜相比于用于气体分离的常规石墨烯膜和聚合物膜可展现改进的性质，例如，更高的选择性、更大的气体渗透速率等

图1A是示例性石墨烯单层100的概念图。图1A图示石墨烯特有的碳原子六方晶格和芳族键。本文描述的碳碳双键在示例性石墨烯单层中(例如在单层100中)的布置意在对石墨烯进行说明而并非试图进行限制。

图1B是示例性石墨烯单层100的概念图，显示了从实例石墨烯单层100中的多个位置移除一个石墨烯碳原子102。移除石墨烯碳原子102形成了图1C中的示例石墨烯单层106。图1B还显示示例性石墨烯单层100中相邻位置之间的最小空间分隔104。最小空间分隔104还可对应于围绕石墨烯碳原子102的圆105的直径。圆105可对应于大体积(bulky)化学穿孔试剂R-Het*中R基团的最小空间半径r_R。在图4A至5E的讨论中进一步描述利用大体积试剂R-Het*的化学穿孔的方法。

图1C是示例性穿孔的石墨烯单层106的概念图。多个离散孔108在示例性石墨烯单层106中被化学穿孔。离散孔108可具有基本均匀的孔径，其特征在于在石墨烯单层106中的一个或多个碳空位缺陷。在不同实例中，每个离散孔108可包含氢钝化的碳原子110。图1C还显示相邻离散孔108之间的最小空间分隔104。最小空间分隔104还可对应于围绕离散孔108的圆105的直径。

图1D是示例性石墨烯单层112的概念图，显示从示例性石墨烯单层112中的多个位置的每个移除的石墨烯碳原子114和116，产生图1E中的示例性石墨烯单层120。图1D还显示示例性v石墨烯单层112中相邻位置之间的最小空间分隔118。最小空间分隔118还可对应于围绕石墨烯碳原子114和116的圆119的直径。圆119可对应于大体积化学穿孔试剂R-Het*中R基团的最小空间半径r_R。在图4A至5E的讨论中进一步描述利用大体积试剂R-Het*的化学穿孔的方法。

图1E是示例性的穿孔的石墨烯单层120的概念图。多个离散孔122在示例性石墨烯单层120中化学穿孔。离散孔122的每个可具有基本均匀的孔径，其特征在于在石墨烯单层120中的两个或多个碳空位缺陷。在不同实例中，每个离散孔120可包含氢钝化的碳原子124。图1E还显示相邻离散孔122之间的最小空间分隔118。最小空间分隔118还可对应于围绕离散孔122的圆119的直径。

图1F是示例性穿孔的石墨烯单层126的概念图。多个孔128在石墨烯单层126中穿孔。孔128可通过任意合适的方法或在石墨烯中形成孔的方法的组合在石墨烯单层126中穿孔。在不同实例中，石墨烯单层126可经由诸如参照图1B至1E和3A至5E在本文中描述的化学方法形成。

在一些实例中，石墨烯单层126中的孔128可经由辐射方法形成，例如通过用γ射线、X射线或激光照射(例如用远紫外激光)等照射石墨烯。在一些额外的实例中，石墨烯单层126中的孔128可经由粒子辐射或高能粒子束方法形成，例如通过用α粒子、β粒子、中子或定向离子束(诸如电子束或镓离子束)等处理石墨烯。在其它实例中，石墨烯单层126中的孔128可经由机械方法形成，例如通过用原子力显微镜探针等撞击。孔(如128)可通过方法的组合形成，例如，孔通过电子或离子束照射然后在氧气氛中氧化蚀刻以将孔扩大而形成。

孔128可包含可具有基本均匀孔径的离散孔，诸如图1C中的孔108或图1E中的孔122，其特征在于在石墨烯单层120中的一个或多个碳空位缺陷。在一些实例中，孔128还可包含根据用于形成所述孔的方法或方法组合而重叠或尺寸有所变化的孔。

图2A是显示各种示例性膜203及其组件和俯视图200和侧视图201的概念图。膜203可包含穿孔的石墨烯层202，其可包含在石墨烯单层204中的孔206。孔206可以是以任意孔108、122或128或其组合的形式。膜203还可包含接触石墨烯层202表面的气体吸附剂层208。如图2A中示出的，气体吸附剂层208对于能够通过石墨烯单层204中的孔206的至少一种气体可以是渗透性的。气体吸附剂层208的这种渗透性可源自于根据气体吸附剂层208的材料组成的任意适当的渗透方法或其组合。在一些实例中，气体吸附剂层208可包含聚合物，并且可展现如在聚合的气体吸附剂中观察到的“溶液-扩散”渗透。在一些额外的实例中，气体吸附剂层208可包含金属层(诸如钯)并且可展现如对于穿过钯的氢渗透观察到的气体-固体渗透。在另外其它实例中，气体吸附剂层208可包含允许至少一种气体透过的孔、通道、空隙等。

图2B是显示膜212及其组件的俯视图210和侧视图211的概念图。膜212可包含穿孔的石墨烯层202，其可包含在石墨烯单层204中的孔206。膜212还可包含接触石墨烯层202表面的气体吸附剂层218。气体吸附剂层218可包含多个孔217。图2B描绘可配置气体吸附剂218以接触基本在纳米级孔206之间的石墨烯层202的情况。在不同实例中，至少一部分纳米级孔206可基本不受气体吸附剂218的阻塞，例如，在孔206’/217’处，气体吸附剂218不叠盖孔206’。

气体吸附剂孔217可通过任何合适的方法或方法的组合在气体吸附剂层218中形成。例如，气体吸附剂层218可与石墨烯层204组合，然后形成孔206或218。在不同实例中，在石墨烯层204中形成孔206的方法还可包括在与孔206大约相同的时间于气体吸附剂层218中形成孔217。在一些实例中，穿孔的石墨烯层202处的气体吸附剂层218可经由存在的石墨烯孔206化学蚀刻以产生气体吸附剂孔217。例如，可使蚀刻气体吸附剂层218的化学混合物接触与气体吸附剂层218相对的石墨烯层202，并且可透过石墨烯孔206来化学蚀刻气体吸附剂层218以形成气体吸附剂孔217。在其它实例中，在穿孔的石墨烯层202上沉积气体吸附剂层218的方法可产生孔217。例如，沉积气体吸附剂层218材料沉积的方法(诸如原子沉积或化学气相沉积)可将气体吸附剂218沉积在基本在石墨烯孔206之间的石墨烯202处，从而形成气体吸附剂孔217。在一些实例中，气体吸附剂218的这种沉积可能不会使石墨烯孔206桥接，由此至少一部分孔206可基本不受气体吸附剂218的阻塞。

图2C是显示膜222及其组件的俯视图220和侧视图221的概念图。膜222可包含穿孔的石墨烯层202，其可包含在石墨烯单层204中的孔206。膜222还可包含接触石墨烯层202表面的气体吸附剂颗粒228。气体吸附剂颗粒228可在孔206之间的石墨烯单层204处接触穿孔的石墨烯层202。气体吸附剂颗粒228可以为微粒或纳米颗粒的形式。在一些实例中，气体吸附剂颗粒228可以是多孔微粒的形式。在一些实例中，气体吸附剂颗粒228可以是纳米颗粒的形式。在不同实例中，如图2C中描绘的，气体吸附剂颗粒228不叠盖石墨烯层204中的孔206。在其它实例中，如图2D中描绘和下文所述，气体吸附剂颗粒可能叠盖石墨烯层中的孔。在不同实例中，如图2C中描绘的，气体吸附剂颗粒228可在石墨烯层204处形成单层。

气体吸附剂层228可通过任何合适的方法或方法组合形成。例如，一些将气体吸附剂层228的材料沉积的方法可包括原子气相沉积、原子层沉积或化学气相沉积，其可将气体吸附剂228沉积在基本在石墨烯孔206之间的石墨烯202处。在一些其它实例中，气体吸附剂层228可经由电沉积、溶液沉淀、浸涂、旋涂等从对应的纳米颗粒的胶态悬浮体沉积。在不同实例中，气体吸附剂228的这种沉积可留下至少一部分基本不受气体吸附剂218阻塞的石墨烯孔206。

本文使用的“纳米颗粒”的尺寸可在直径为约1个原子至约1000纳米的范围内。在一些实例中，纳米颗粒可以是颗粒或包含至少约2、3、4、5、10、15、20、25、50、75或100个原子的原子簇。在一些其它实例中，纳米颗粒的平均直径可以为约1纳米至约500纳米、约1纳米至约250纳米、约1纳米至约100纳米或约20纳米至约100纳米。在不同实例中，纳米颗粒可以是无孔的固体颗粒。在另外的实例中，纳米颗粒可包含不同材料的两个以上的同心层，例如芯壳型纳米颗粒。例如，可采用钯壳-二氧化硅芯纳米颗粒，其可提供与相同尺寸的固体钯纳米颗粒相同的表面积，但使用更少的钯。

本文使用的“微粒”的尺寸可在平均直径为约1个原子至约1000微米的范围内。在一些实例中，微粒的平均直径为约1微米至约1000微米，或者在一些实例中，微粒的平均直径为约1微米至约250微米。在一些实例中，微粒可由多孔材料构成，例如多孔活性炭、多孔沸石等的微粒。

图2D是示例性膜232及其组件的俯视图230和侧视图231的概念图。膜232可包含穿孔的石墨烯层202，其可包含在石墨烯单层204中的孔206。在一些实例中，膜232还可包含接触石墨烯层202表面的气体吸附剂颗粒238。气体吸附剂颗粒238可在任何位置接触穿孔的石墨烯层202，例如在孔206之间或沿着孔206的石墨烯单层204处。

气体吸附剂层238可通过任何合适的方法或方法组合形成。例如，将气体吸附剂层238的材料沉积的方法可包括原子气相沉积、原子层沉积或化学气相沉积，其可将气体吸附剂238沉积在基本在石墨烯孔206之间的石墨烯202处。在其它实例中，如图2D中所示，气体吸附剂层238可经由电沉积、溶液沉淀、浸涂、旋涂等从对应的纳米颗粒的胶态悬浮体沉积在各层中。在不同实例中，气体吸附剂238的这种沉积可桥接石墨烯孔206，由此至少一部分孔206可被气体吸附剂238至少部分堵塞。在不同实例中，气体吸附剂238可由可透过要吸着的气体的材料制成，由此孔的阻塞不阻挡气体通过所述孔。例如，厚度小于约1微米的钯层不仅吸附氢气，也可透过氢气。因此，通过钯纳米颗粒形式的气体吸附剂颗粒238将孔206部分或全部阻塞仍可允许氢气通过孔。在不同实例中，在石墨烯202处形成气体吸附剂颗粒238的一个或多个层可部分地堵塞孔206，但颗粒238可以颗粒的多孔排列沉积，其仍可允许气体通过层238和孔206。

本文使用的“气体吸附剂”(例如气体吸附剂208、218、228和238)可包括可比石墨烯表面(例如，石墨烯层204)更大程度地吸附至少一种气体的任何材料。

在不同实例中，“气体吸附剂”的合适材料可包括金属，比如金属元素以及金属元素的合金、复合体、化合物或络合物等。合适的金属元素可包括，例如，过渡金属、后过渡金属(post-transition metal)、类金属等。过渡金属可包括，例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg等。已知诸如Pb、钯是用于氢的吸附剂。过渡金属还可包括诸如镧系或锕系等。后过渡金属可包括，例如，Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb或Bi等。类金属可包括，例如，B、Si、Ge、As、Sb、Te或Po等。

在不同实例中，气体吸附剂可不包括金纳米颗粒。在一些实例中，气体吸附剂可包括钯，例如，气体吸附剂可包括钯纳米颗粒，其特征在于平均直径为约20纳米至约100纳米。涂敷金属的合适的方法包括电化学沉积；浸涂、旋涂、接触印刷或印刷涂布；从适当前体的原子、化学或物理气相沉积；从适当前体的原子层沉积等。在另一个实例中，将石墨烯与金属纳米颗粒涂层接触的方法可如下进行。钯纳米颗粒前体溶液可制备为钯络合物(如Pd₂(μ-dPhpz)₂(dPhpzH)₂Cl₂).H₂O)在二氯甲烷中的1毫摩溶液。可在25℃将钯纳米颗粒前体溶液与石墨烯层接触约1小时。可从溶液中移除石墨烯层，并且可在真空下蒸发过量溶剂，从而形成包含钯纳米颗粒前体的干燥石墨烯层。随后，可将干燥石墨烯层置于关闭的管式炉中并且在干燥脱氧的氢气流下以5℃/分钟的速率加热至600℃。然后，可将石墨烯层在干燥脱氧的氢气氛中冷却至36℃。可用纯净的干燥氮气替换氢气，并且可将石墨烯层冷却至25℃。所得石墨烯层的表面可包含钯纳米颗粒涂层。

在不同实例中，“气体吸附剂”的合适材料可包括金属的化合物或络合物。例如，包含氧化钙或氧化镁的化合物可用作气体吸附剂(诸如用于二氧化碳和/或二氧化硫)。在另一个实例中，诸如沙仑镁(magnesium salen)或沙仑钴(cobalt salen)的络合物可用作气体吸附剂(诸如用于氧气)。涂敷金属化合物或络合物的适当方法包括电化学沉积；化学沉积，例如沉淀；浸涂、旋涂、接触印刷或印刷涂布；从适当前体的原子或化学气相沉积；或纳米颗粒粉末的静电沉积等。

在不同实例中，“气体吸附剂”的材料可包括气体吸附沸石。沸石可包括常用作商业吸附剂的天然和人造铝硅酸盐。合适的沸石可包含可容纳或吸附各种各样的物质(包括气体)的多孔结构。沸石可包括，例如，斜碱沸石、方沸石、板沸石、贝尔伯格沸石、硅锂铝石、伯格斯石、锶沸石、菱沸石、斜发沸石、刃沸石、环晶石、钡沸石、柱沸石、毛沸石、八面沸石、镁碱沸石、十字沸石、水钙沸石、钠菱沸石、戈硅钠铝石、纤沸石、古柱沸石、交沸石、碱菱沸石、片沸石、浊沸石、插晶菱沸石、莫里铅沸石、针沸石、钡十字沸石、中沸石、蒙特索马石、丝光沸石、钠沸石、钾沸石、副钠沸石、方碱沸石、Pentasil型沸石(pentasil)、锶碱沸石、钙十字沸石、铯榴石、钙沸石、钠环晶石、淡红沸石、辉沸石、四方钠沸石、杆沸石、切尔尼希沸石(tschernichite)、斜钙沸石、钙交沸石、三斜钾沸石或汤河原沸石等。涂敷作为气体吸附剂的沸石的适当方法包括提供多个沸石纳米颗粒并且用诸如在激光印刷中采用的粉末涂布或静电涂布工艺涂布石墨烯层202。

在不同实例中，“气体吸附剂”的材料可包括吸附碳质气体的材料，例如，活性炭、热解碳、碳纳米管或其片段、碳富勒烯或其片段、石墨烯片段等。涂敷作为气体吸附剂的碳质材料的适当方法可包括从悬浮液或溶液沉积，或者纳米颗粒粉末的静电涂布。

在不同实例中，“气体吸附剂”可包括气体吸附性二氧化硅或硅胶等。涂敷作为气体吸附剂的二氧化硅材料的适当方法可包括从硅酸盐悬浮液或溶液沉积，或者二氧化硅的纳米颗粒粉末的静电涂布。

在不同实例中，“气体吸附剂”的材料可包括聚合物，包括渗透性有机聚合物，例如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜或其共聚物等中的一种或多种。涂敷作为气体吸附剂的聚合物材料的适当方法可包括从悬浮液或溶液沉积、化学气相沉积或者聚合物纳米颗粒粉末的静电涂布。

“气体吸附剂”可以是任何合适的固体形式，例如，原子单层、原子簇、诸如纳米颗粒或微粒等颗粒、固体层或多孔固体层等。在不同实例中，气体吸附剂可包含至少一个原子单层，例如，通过原子气相沉积或原子层沉积而沉积在石墨烯层(如202)上的钯原子的单层。在不同实例中，在石墨烯层表面的气体吸附剂的厚度可在约1个原子至约1微米。“气体吸附剂”可以具有任何合适的配置，例如，可透过气体的多孔固体，例如厚度在约1个原子至约1微米的钯层，其中所述层可展现对氢气的渗透性。“气体吸附剂”可配置为可透过气体的固体，比如可透过气体的聚合物。气体吸附剂”可配置为包含微孔或纳米孔的固体或颗粒，例如，微米多孔或纳米多孔的沸石。气体吸附剂”可配置为包含微孔或纳米孔的气体吸附材料膜，例如，包含微孔或纳米孔的聚合物膜。

气体吸附剂“颗粒”可包括尺寸为约1个原子至约1微米的颗粒。气体吸附剂颗粒可以是固态或多孔的。气体吸附剂颗粒可包含单种元素或分子，或者可以是不同元素或分子的混合物或复合体。气体吸附剂颗粒可全部具有相同的组成，或者可以是分层结构，比如芯壳型纳米颗粒。气体吸附剂颗粒可配置在石墨烯层处作为单层颗粒，或者作为厚度为两个以上颗粒的层。

在不同实例中，形成实例膜的方法包括配置气体吸附剂以增加在石墨烯层处的至少一种气体的表面浓度。配置气体吸附剂以增加在石墨烯层处的至少一种气体的表面浓度的步骤可包括，例如，从诸如本文描述的气体吸附剂材料中选取合适的气体吸附剂材料。配置气体吸附剂以增加在石墨烯层的至少一种气体的表面浓度的步骤还可包括，例如，选择气体吸附剂物理结构，比如孔隙度、表面积和/或微粒/层形式。例如，给出相等表面积的石墨烯和活性炭可具有类似的气体吸附特性。然而，多孔活性炭层或活性炭纳米颗粒由于活性炭中的多孔性、迂曲度以及相关的此类物理特征，可用于提供比石墨烯层202自身的表面积更大的用于石墨烯层202处的吸附的有效表面积。配置气体吸附剂以增加在石墨烯层的至少一种气体的表面浓度的步骤还可包括，例如，对气体吸附剂是否堵塞石墨烯孔的设置。例如，由于厚度为约1个原子至约1微米厚的钯层对于氢气是高渗透性的，可利用钯作为图2A中的气体吸附剂208来堵塞孔206。在一些实例中，可涂敷颗粒以形成多孔层(诸如图2D中的气体吸附剂238)，这些颗粒可部分地堵塞孔206，因为气体仍可在气体吸附剂颗粒238之间通过。在其它实例中，可涂敷气体吸附剂层(如图2B中的218)或气体吸附剂颗粒(如图2C中的228)，以使孔206通畅或者仅部分堵塞。

本文使用的“石墨烯”一般指的是碳的平面同素异形体，其特征在于可通过芳香性碳碳键连接的碳原子的六方晶格，例如，如由图1A中的石墨烯100图示的。本文使用的石墨烯“单层”一般可以是一个碳原子厚的石墨烯层。在一些实例中，石墨烯单层可包含一些非芳香性的碳，例如，一些可被氢钝化并且可通过非芳香性的碳碳单键与其它碳键合的碳。本文使用的“穿孔的石墨烯单层”一般可指的是可包含多个穿过石墨烯单层的离散孔的石墨烯单层。离散孔可全部通过石墨烯单层。离散孔可允许原子或分子物质从石墨烯单层的一侧选择性地通过至石墨烯单层的另一侧。本文使用的石墨烯中的“化学穿孔的”孔可具有以下特征，通过从石墨烯晶格选择性地移除一个或多个碳原子制备，例如，在图1B和1C之间示出的穿孔，或者在图1D和1E之间示出的穿孔。例如，原子或分子物质可在导致从石墨烯晶格选择性的移除一个或多个碳原子的过程中与石墨烯反应。在图4A至5E的讨论中进一步描述制备所述孔的实例方案。

本文使用的石墨烯单层中的“离散”孔通过至少一个介于中间的碳碳键、或者在一些实例中通过至少一个介于中间的六元石墨烯环而与彼此区分。例如，在图1C中，离散孔108A和108B通过至少四个六元环或至少五个碳碳键而分开。同样，例如，在图1C中，离散孔108C可通过至少三个六元环或至少四个碳碳键而与离散孔108A和108B中的每个分开。在另一个实例中，在图1E中，离散孔122A和122B通过至少四个六元环或至少五个碳碳键而分开。同样，例如，在图1E中，离散孔122C可通过至少三个六元环或至少四个碳碳键而与离散孔122A和122B中的每个分开。

本文使用的孔(诸如孔108、122、128、206等)可以是纳米级孔。在本文描述的一些实例中，“纳米级孔”的特征可在于最大直径在约0.1纳米至约10纳米。在不同实例中，“纳米级孔”的特征可在于平均直径在约0.1纳米至约10纳米，或在一些实例中，平均直径在约0.1纳米至约4纳米。

本文使用的“最小空间分隔”一般可以指相邻离散孔的中心之间的距离，比如图1C中的距离104或图1E中的距离118。例如，对应于至少一个介于中间的碳碳键的最小空间分隔可以是至少约1埃。在一些实例中，对应于至少一个介于中间的六元石墨烯环的最小空间分隔可以是至少约2.4埃。在不同实例中，最小空间分隔可以为约1埃至约100埃，例如，至少约1埃、2埃、3埃、4埃、5埃、6埃、7埃、8埃、9埃、10埃、12.5埃、15埃、20埃、25埃、35埃或50埃。本文使用的“最小空间分隔”一般可以指用于制成离散孔的大体积化学穿孔试剂R-Het*中R基团的最小空间半径r_R的两倍。大体积化学穿孔试剂R-Het*中R基团的最小空间半径r_R。进一步参照图3A至5E总体描述利用大体积试剂R-Het*的化学穿孔的方法以及R基团和小空间半径r_R的细节。

在不同实例中，多个纳米级孔中的至少一部分孔具有基本相同的尺寸，使得石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

在不同实例中，所述孔的特征可在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。在一些实例中，每个孔的特征可在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述孔全部具有基本相同数量的碳空位缺陷。

本文使用的“碳空位缺陷”可以是石墨烯单层中的孔，其可定义为相比于无碳空位缺陷的石墨烯单层缺少一个或多个碳原子。

本文使用的“基本均匀的孔径”是指，离散孔的特征可在于每个离散孔具有基本相同数量的一个或多个碳空位缺陷。例如，在图1C中，离散孔108的特征可以是单碳空位缺陷，其对应于图1B中的碳原子102从石墨烯单层100的缺失。在另一个实例中，在图1E中，离散孔122的特征可以是双碳空位缺陷，其对应于图1D中的碳原子114和116从石墨烯单层100的缺失。在不同实例中，基本均匀孔径的离散孔可的碳空位缺陷可以被安置在每个离散孔内的基本相同的相对晶格位置。例如，包含六个碳空位缺陷的多个基本均匀的孔分别可对应于从六方石墨烯晶格中移除碳原子六元环。在另一个实例中，包含六个碳空位缺陷的多个基本均匀的孔分别可对应于从六方石墨烯晶格中移除碳原子六元错列直链(staggeredlinear chain)。

本文使用的“全部基本均匀孔径”指的是穿孔的石墨烯单层中至少约80％的离散孔可具有基本均匀的孔径。在不同实例中，可具有基本均匀孔径的穿孔的石墨烯单层中离散孔的百分比可以是：约85％、约90％、约95％、约96％、约97％、约98％、约99％、约99.5％或约99.9％。在一些实例中，穿孔的石墨烯单层中的全部离散孔可具有基本均匀的孔径。

本文使用的关于多个离散孔的“基本相同数量的一个或多个碳空位缺陷”指的是这种离散孔彼此至多相差约三个碳空位缺陷。例如，具有基本相同数量的一个或多个碳空位缺陷的多个孔可为每个孔一至三个碳空位缺陷。在不同实例中，离散孔的碳空位缺陷数量可相差约三个、约两个或约一个。在一些实例中，所述多个离散孔的每个具有相同数量的碳空位缺陷。例如，在图1C中，离散孔108的特征可以是每个孔具有单个碳空位缺陷。在另一个实例中，在图1E中，离散孔122的特征可以是每个孔具有两个碳空位缺陷。在其它实例中，穿孔的石墨烯单层中至少约80％的离散孔可具有相同数量的碳空位缺陷。在不同实例中，可具有相同数量的碳空位缺陷的穿孔的石墨烯单层中离散孔的百分比可以是：约85％、约90％、约95％、约96％、约97％、约98％、约99％、约99.5％或约99.9％。在一些实例中，穿孔的石墨烯单层中的全部离散孔可具有相同数量的碳空位缺陷。

本文使用的关于“基本相同数量的一个或多个碳空位缺陷”的碳空位缺陷的“数量”是指约一个以上的碳缺陷，或者在一些实例中，约两个以上的碳缺陷。在不同实例中，碳空位缺陷的数量可以为约一个至约十个缺陷，例如，约一个、约两个、约三个、约四个、约五个、约六个、约七个、约八个、约九个或约十个缺陷。

图3A是示例性膜300的侧视图的概念图，所述膜包含配置来与渗透性基底302接触的穿孔的石墨烯单层106。穿孔的石墨烯单层106可包含离散孔108。在接近穿孔的石墨烯单层106内配置气体吸附剂，如纳米颗粒气体吸附剂238。基底(诸如渗透性基底302)可配置用于接触示例性的穿孔的石墨烯单层(如106)的一侧或两侧。渗透性基底302可为多孔石墨烯层(如106)提供物理支持。纳米颗粒气体吸附剂238可部分堵塞如图3中示出的孔108。

本文使用的“渗透性基底”，例如渗透性基底302，可以是可采用来对穿孔的石墨烯单层(如106)提供支撑的任何材料。本文使用的“渗透性基底”还可以对穿过穿孔的石墨烯单层中的离散孔的至少一种原子或分子物质是可透过的。合适的渗透性基底可包括“溶液-扩散”固体膜，其允许原子或分子物质扩散经过渗透性基底的固体材料。合适的渗透性基底还可配置为具有孔、空隙或通道等的多孔膜或过滤器，原子或分子物质可行进通过。渗透性基底的合适材料可包括，例如，聚乙烯(包括超高分子量聚乙烯)、聚丙烯、聚酯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚烯烃、芳纶(aramide)、芳族聚酯、碳纤维、聚砜和/或聚醚砜中的一种或多种。合适的渗透性基底还可包括金属网和多孔陶瓷。在不同实例中，用于渗透性基底的合适的聚合物材料可以是多孔载体，其特征在于约1,000,000道尔顿、约500,000道尔顿、约250,000道尔顿或约100,000道尔顿的最小分子量截留。在一些实例中，合适的渗透性基底可包括聚醚砜膜，其特征在于约100,000道尔顿的最小分子量截留。在一些实例中，合适的渗透性基底可由展现气体吸附剂性质的材料(诸如聚合物气体吸附剂)构成。在一些实例中，这种气体吸附性的渗透性基底可同时作用于支撑多孔石墨烯层(如106)以及吸附至少一种气体。在不同实例中，这种气体吸附渗透性基底可用作唯一的气体吸附剂。在一些实例中，除另一种气体吸附剂(如纳米颗粒气体吸附剂238)外，可以采用这种气体吸附性的渗透性基底。

图3B是可含与渗透性基底302接触布置的穿孔的石墨烯单层106的示例性膜300侧视图的概念图。穿孔的石墨烯单层106可包含离散孔108。在穿孔的石墨烯单层106处配置气体吸附剂，如纳米颗粒气体吸附剂238。基底(如渗透性基底302)可配置用于接触实例石墨烯单层(如106)的一侧或两侧。渗透性基底302可提供用于多孔石墨烯层(如106)的物理支撑。纳米颗粒气体吸附剂238可部分堵塞如图3A中示出的孔108。在图3B中，示例性膜300将室304和室306分开。室304可配置用于包含两种分子308和310。室306可配置用于接收分子308和310其中之一的纯化选品。图3B描绘流体混合物，其包含由填充白色的圆表征的第一气体分子308和由填充黑色的圆表征的第二分子310。可将分子308和310的流体混合物与膜300接触。可将第一气体分子308从室304引导经过孔108至室306，以便将第一气体分子308与第二分子310分离。在不同实例中，可通过沿着石墨烯单层采用处理梯度将第一气体分子308引导经过离散孔108。处理梯度可包括在一种或多种性质(诸如温度、压力、气体浓度或电场)上的差异。

如图3B中所示，第一气体分子308吸附在气体吸附剂238处。在不同实例中，气体吸附剂238可作用于增加多孔石墨烯层106处的第一气体分子308的有效表面浓度，例如，增加约1微米的多孔石墨烯层106内的第一气体分子308数目。例如，穿过缺少气体吸附剂(如238)的膜的任何特定气体分子的气体输送可取决于在分子取向、动量、行进方向等方面与孔充分匹配的气体分子。在不同实例中，气体吸附剂238可作用于将吸附的气体分子308的运动至少部分地限制于气体吸附剂238的表面，这可增加气体分子308进入孔(如108)的可能性。在不同实例中，相比于无气体吸附剂(如238)的其它相同膜，膜(如300)可展现增加的气体分子308的输送速率。

在不同实例中，从流体混合物中分离气体的方法可包括提供包含第一气体和第二气体的流体混合物，其中第二气体的分子大于第一气体的分子。第一和第二分子还可包括一种或多种原子或化学特性上的差异，比如元素组成、同位素组成、分子结构、尺寸、质量、疏水性、极性、极化性或电荷分布等方面的差异。例如，第一气体分子308可小于第二分子310，如通过图3B中填充的圆的相对尺寸所象征。在一些实例中，离散孔(如108)的特征可在于，相比于第二分子，直径可以对于第一气体分子的通过具有选择性。基于原子或化学特性(例如尺寸)方面的一种或多种差异，相比于第二分子310，直径可选择第一气体分子308通过。第一气体分子308可以是氦、氖、氩、氙、氪、氡、氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、C1-C4烷烃、硅烷、水或卤酸(haloacid)中的一种。

本文使用的“流体混合物”可以是任何流体相，比如气相、液相或超临界相，其可至少包含第一分子物质和第二分子物质，例如分子308和310，其中至少第一分子308是气体分子。在不同实例中，流体混合物可包括：气体的混合物；蒸汽和气体的混合物；液体的混合物；气体溶于液体的溶液；固体溶于液体的溶液；或者气体、液体或固体在超临界流体中的溶液等。在一些实例中，流体混合物可与其它相的两种以上不同分子接触。例如，可将包含作为所述分子之一的流体相二氧化碳的流体混合物与固相二氧化碳接触。

本文使用的“分离选择性”指的是在特定的原子或分子物质对(例如图3B中的分子308和310)之间的穿孔石墨烯单层渗透率的比例。例如，已描述过针对一个原子厚的单层的理论计算值，所述单层的特征是直径约2.5埃的孔；计算的氢渗透率除以计算的甲烷渗透率的比为10^²³:1。相比之下，目前已知的“溶液扩散”聚合物膜具有约150:1的氢:甲烷分离选择性。本文描述的穿孔的石墨烯单层可以通过分离选择性来表征，例如，图1C中的穿孔的石墨烯单层106、图1E中的120以及图3A和图3B的膜300中的106。例如，示例性的穿孔的石墨烯单层(如106)的每个孔可包含约一个碳空位缺陷。穿孔的石墨烯单层106的氢/甲烷分离选择性的特征可为分子氢(H₂)相比于甲烷(CH₄)的渗透速率的比。在一些实例中，氢/甲烷分离选择性可以是至少约200:1；或者在不同实例中，其在约200:1和约10²³:1之间，例如，至少约：10³:1、10⁴:1、10⁵:1、10⁶:1、10⁹:1、10¹²:1、10¹⁵:1、10¹⁸:1或10²¹:1。

在不同实例中，形成示例性膜的方法包括提供被多个纳米级孔穿透的石墨烯层，例如，膜106、120、126和204以及孔108、122、128和106。在不同实例中，这种纳米级孔可通过化学方法形成，如图4A至4C和图5A至5E中描绘的。

图4A是显示在石墨烯单层100中形成多个离散孔108以形成穿孔的石墨烯单层106的方法的概念图。图4A显示石墨烯单层的侧视图。可将试剂R-Het*与在石墨烯单层(诸如石墨烯单层100)的多个位置接触。所述试剂可与任何合适形式的石墨烯单层接触，比如固体、液体、气体、溶液中的溶质、悬浮液中的颗粒等。所述试剂可通过任何合适的手段与石墨烯单层接触，比如通过浸渍、旋涂、浸涂、(诸如经由喷墨型喷嘴施加的)选择性涂布、升华或冷凝或者化学气相沉积等。

图4A还显示在石墨烯单层100处，由R-Het*表示的试剂可与在多个位置的每一个处的至少一个石墨烯碳原子C_g反应，例如C_g404和406。所述反应在改性石墨烯单层100’中形成由R-Het-C_g400和402表示的杂原子-碳部分。改性石墨烯单层100’可由式[R-Het-C_g]_p石墨烯表示，其中p表示所述多个位置中的位置数量。

图4还显示在石墨烯单层100’处，相邻位置的R-Het-Cg400和402之间的空间相互作用提供最小分隔距离104。可将图4A中所示的侧视图与图1B和1C中所示的俯视图进行对比。可选择由图4A中的阴影球体表征的R基团以提供最小空间半径r_R。短语“最小空间半径r_R”是指对应的R基团的相对取向，其提供至少约2*r_R的最小分隔距离104。图4A中表示R基团的阴影球体对应于图1B、1C、1D和1E中所示的圆105和119。通过用R基团提供的最小空间距离104可大幅降低R-Het-C_g在石墨烯中衍生出相邻碳碳键的机会。在各种实例中，空间相互作用可将Het-C_g键彼此隔离。在各种实例中，空间相互作用可导至离散孔形成，其中通过移除Het-C_g产生的石墨烯碳自由基较不可能合并成更大的孔。

由R表示的基团可以是-R^a、-SO2R^a、-(CO)OR^a或-SiR^aR^bR^c中之一；其中R^a、R^b和R^c分别独立地为烷基、芳基、杂环芳基、芳烷基或杂环芳烷基。在不同的实例中，由R^a、R^b和R^c表示的烷基、芳基、杂环芳基、芳烷基或杂环芳烷基可以具有取代基或不具有取代基。在一些实例中，由R^a、R^b和R^c表示的基团可以不具有取代基。

基团Het*可以是杂原子基团，其与石墨烯中的碳C_g或碳碳双键C_g＝C_g反应以形成诸如由R-Het-C_g400和402表示的杂原子-碳部分。由Het*表示的杂原子基团的实例可包括氮宾自由基，或者活化的氧代基团如氧代自由基、氧代阴离子、羟基、羧基或羧酸盐(酯)等。由R-Het*表示的活化的杂原子试剂可通过将由R-Het表示的前体化合物活化而制备。在图5A、5B、5C、5D和5E的描述中讨论杂原子基团与石墨烯反应的各种实例。

图4A还显示包含离散孔108的穿孔的石墨烯单层106可通过移除改性石墨烯单层100’处由R-Het-C_g400和402表示的杂原子-碳部分而形成。离散孔108的特征在于，通过从多个位置移除石墨烯碳原子C_g所限定的石墨烯单层中的碳空位缺陷，使得石墨烯单层整体具有基本均匀的孔径。

图4B是显示可包含在在石墨烯单层100中形成多个离散孔108以形成穿孔的石墨单层106的方法中的额外操作的概念图。例如，图4B显示将前体R-Het活化以形成活化试剂R-Het*的操作。在额外操作的另一个实例中，图4B显示由R-Het-C_g400和402表示的杂原子-碳部分可通过采用额外的操作移除。例如，如图4A中所示，可将R基团移除以提供基团H-Het*-C_g401和403，然后除去H-Het*-C_g401和403并用氢进行钝化，以便提供在穿孔的石墨烯单层106中的离散孔108。

图4C描绘对应于图4A和图4B中示出的总体方案的示例性反应图解。在图4C中，对应于图4A和4B中的R-Het的三甲基甲硅烷基叠氮化物410可首先被加热或光解以产生活化的三甲基甲硅烷基氮宾自由基412。例如，可将石墨烯414置于排空的反应室中。可将三甲基甲硅烷基叠氮化物410脱气和蒸发至约0.1托～约10托的压力，例如约1托。可在例如约150℃至约250℃加热所述室，例如，约200℃。三甲基甲硅烷基氮宾自由基412可与石墨烯414中的碳碳双键反应以形成三甲基甲硅烷基氮杂环丙烷化合物416，对应于图4A和4B中的R-Het-C_g。参照图4A，R-Het-C_g400和402中的Het基团与至少一个碳C_g键合。在图4C所示的实例中，氮宾自由基与两个碳键合以便形成化合物416中的三元氮杂环丙烷环。图4C中的具体实例还显示对应于R的化合物416中的三甲基甲硅烷基可被诸如四丁基氟化铵等氟离子源切下以形成化合物418中的N-H氮杂环丙烷环。

图5A描绘对应于图4A和图4B中示出的至少一部分总体方案的示例性反应图解。石墨烯单层500可与多个具有取代基的氮宾自由基501接触。石墨烯单层500中的多个碳碳双键C_g＝C_g可与具有取代基的氮宾自由基501反应。可形成石墨烯单层，其可通过多个由氮杂环丙烷结构502表示的N-R取代的氮杂环丙烷基团功能化。氮杂环丙烷基团的N-R取代基可被切下以形成N-H氮杂环丙烷结构504。

在不同的实例中，由-Het表示的合适的氮宾前体基团可以是叠氮化物(-N₃)。通过在适合于将叠氮化物转化为氮宾的热解或光解条件下使R-N₃表示的叠氮化物前体反应，可将R-Het*制备为R-氮宾501。在一些实例中，当-Het是叠氮化物时，R的合适的值可包括-R^a或-SiR^aR^bR^c。在不同的实例中，R-氮宾与石墨烯的反应产生如图5A中所示的N-R氮杂环丙烷502。

在一些实例中，氮杂环丙烷结构502中的R可以是-SiR^aR^bR^c。在不同的实例中，通过将每个具有取代基的氮杂环丙烷502与下列物质之一接触可将如-SiR^aR^bR^c等基团从结构502表示的具有取代基的氮杂环丙烷切下：氟化季铵盐；烷基磺酸；芳基磺酸；三氟甲烷磺酸；碱金属氢氧化物；或氧化剂。

在不同的实例中，当R可以是-(CO)OR^a时，由-Het表示的合适的氮宾前体基团可以是-N-OSO₂-R^f，其中R^f可以是甲磺酸酯基、三氟甲磺酸酯基、溴苯磺酸酯基、甲基苯磺酸酯基或硝基苯磺酸酯基。在一些实例中，通过使R^aO(CO)-N-OSO₂-R^f表示的氮宾前体与胺碱(如三乙胺)反应，可将R-Het*制备为R-氮宾501。在不同的实例中，R-氮宾与石墨烯的反应产生如图5A中所示的N-R氮杂环丙烷502。

在不同的实例中，当R可以是-(SO2)R^a’时，由-Het表示的合适的氮宾前体可以是-NH₂。在一些实例中，R^a’可以是具有或不具有取代基的烷基、芳基、杂环芳基、芳烷基或杂环芳烷基。在不同的实例中，R^a’可以是烷基、氟烷基、溴苯基、烷基苯基或硝基苯基，其可被进一步取代。在一些实例中，通过使R^a-SO₂-NH₂表示的氮宾前体在铜、钯或金催化剂的存在下与PhI(O(CO)CH₃)₂反应，可将R-Het*制备为R-氮宾501。实例催化剂可包括乙酰丙酮酸铜、四乙酰丙酮酸钯、4,4',4″-三叔丁基-2,2':6',2″-三吡啶三氟甲磺酸金等。所述反应可通过石墨烯单层原位进行。在一些实例中，R^a-SO₂-NH₂可与PhI(O(CO)CH₃)₂以及在醇(例如甲醇)中的碱金属氢氧化物(例如KOH)反应以形成R^a-SO₂-N＝IPh。然后可将分离的R^a-SO₂-N＝IPh与铜、钯或金催化剂(如乙酰丙酮酸铜)反应以产生作为R-氮宾的R-Het*。在不同的实例中，R-氮宾与石墨烯的反应产生如图5A中所示的N-R氮杂环丙烷502。

在一些实例中，氮杂环丙烷结构502中的R可以是-(CO)OR^a。在不同的实例中，通过将每个具有取代基的氮杂环丙烷502与下列物质之一接触可将如-(CO)ORa等基团从结构502表示的具有取代基的氮杂环丙烷切下：碱性烷基硫醇盐；三烷基碘甲硅烷；碱金属氢氧化物；碱土金属氢氧化物；碳酸钾；HBr/乙酸；双(2-甲氧基乙氧基)氢化铝钠；碲氢化钠；三烷基甲硅氧烷基钾；烷基锂；氟化季铵盐；具有碘化钠的酰氯；烷基磺酸；三氟甲磺酸；或芳基磺酸。

在一些实例中，氮杂环丙烷结构502中的R可以是-SO₂R^a。在不同的实例中，通过将每个具有取代基的氮杂环丙烷502与下列物质之一接触可将如-SO₂R^a等基团从结构502表示的具有取代基的氮杂环丙烷切下：HBr和乙酸；HBr和酚；HF和吡啶；双(2-甲氧基乙氧基)氢化铝钠；碱金属芳基化盐；氨或异丙胺中的碱金属；吸附到硅胶上的钠钾合金；碘化钐；乙酸中的高氯酸；醚存在下的光解；硼氢化钠和二甲氧基苯存在下的光解；肼存在下的光解；硼烷:氨存在下的光解；硼氢化钠和β-萘酚(beta-naphthoxide)存在下的光解；或者磷酸一氢钠存在下的钠汞齐。

在一些实例中，氮杂环丙烷结构502中的R可以是-R^a。在不同的实例中，通过将每个具有取代基的氮杂环丙烷502与下列物质之一接触可将如-R^a等基团从结构502表示的具有取代基的氮杂环丙烷切下：催化性钯存在下的氢；催化钯存下在的硼烷；催化雷尼镍存在下的硼烷；或者过氧化氢继以5,10,15,20-四(4-磺基苯基)卟啉铁(II)四钠。

图5B描绘了可用于形成含单个碳空位缺陷的孔的对应于图4A和图4B中示出的总体方案的一部分的示例性反应图解。在各种实例中，可将由结构式504表示的N-H氮杂环丙烷部分加热。在一些实例中，可在氢气的存在下将由结构式504表示的N-H氮杂环丙烷部分加热。合适的温度为约700℃至约900℃；在不同实例中为约750℃至约850℃；或者在一些实例中为约800℃。合适的反应时间为约1分钟至约12小时；在不同实例中为约10分钟至约4小时；在一些实例中为约15分钟至约2小时；或者在其它实例中为约30分钟。在不同实例中，合适的氢气条件在约1托至约7600托的氢气压力范围内；在一些实例中为约1托至约760托；或者在其它实例中为约10托至约100托，例如50托。其它合适的氢气条件可包括约1sccm至约25sccm的氢气流量，在不同实例中为约1sccm至约5sccm；或者在一些实例中为约3sccm。可将N-H基团和一个C_g从结构514的表面通过热解方式切下。通过氢的钝化可提供结构506——具有通过移除单个石墨烯碳C_g所限定的孔的石墨烯单层。穿孔的石墨烯结构506对应于离散孔108的单碳空位缺陷，例如在图1C中的穿孔的石墨烯单层106中所描绘。

图5C描绘可用于形成含双碳空位缺陷的孔的对应于图4A和图4B中示出的总体方案的一部分的示例性反应图解。在不同的实例中，可将由结构504表示的N-H氮杂环丙烷部分水解以产生各由结构式508表示的β-氨基醇部分。可通过将结构504与碱金属氢氧化物或者碱土金属氧化物或氢氧化物的碱性水溶液接触来进行水解反应。水解反应可采用浓度为约0.1摩尔至约10摩尔(诸如1摩尔)的碱性水溶液。在不同的实例中，水解反应可在下列范围内的温度进行：约0℃至约100℃；约10℃至约90℃；约20℃至约80℃；约25℃至约75℃。在水解反应之后，可用水和/或水性缓冲溶液(例如，pH7的缓冲溶液)进行漂洗。

在水解反应之后，可将多个由结构式508表示的N-H氮杂环丙烷部分在氢气下加热至约750℃和约900℃，以在石墨烯单层中产生作为各由结构式510表示的多个双碳空位缺陷的多个孔。可从β-氨基醇结构50的表面将C_g-NH₂和C_g-OH基团通过热解切下。热解切割(thermolytic cleavage)可催生一种或多种气体，例如，氰化氢、氢气、一氧化碳、氨气、水等。可采用通过氢的钝化以提供结构510——具有通过移除两个石墨烯碳C_g限定的孔的石墨烯单层。穿孔的石墨烯结构510对应于离散孔122的双碳空位缺陷，例如在图1E中的穿孔的石墨烯单层120中描绘的。

图5D描绘采用1,2二醚形成结构514表示的中间化合物的对应于图4A和图4B中示出的总体方案的一部分的示例性反应图解。石墨烯单层500可与R-Het*表示的活化的氧代试剂接触，其中R可以是-R^a。通过将R-Het表示的活化的氧代试剂的适当前体与活化试剂(诸如三价碘氧芳基(iodosoaryl)试剂)组合可制备R-Het*表示的活化的氧代试剂。合适的碘氧芳基试剂可包括，例如，亚碘酰苯四氟硼酸酯、亚碘酰苯六氟锑酸酯、亚碘酰苯六氟磷酸酯等。

通过将(二乙酰氧基碘代)苯的氯仿溶液与适当的酸(例如，四氟硼酸、六氟锑酸或六氟磷酸)的水溶液组合可制备三价碘氧芳基试剂。可将混合物于40℃至50℃在真空下蒸发。通过添加少量水可将产物(例如，亚碘酰苯四氟硼酸酯、亚碘酰苯六氟锑酸酯、亚碘酰苯六氟磷酸酯)结晶。

R-Het表示的活化氧代试剂的适当前体(其中R可以是-R^a)可包括式R-OH的醇、具有碱金属阳离子的R-O^-的盐、具有碱土金属阳离子的R-O^-的盐等。石墨烯单层500中的碳碳双键C_g＝C_g可在三价碘氧芳基试剂和R-Het*的存在下反应以形成通过结构512表示的1,2-二醚功能化的石墨烯单层。

在不同的实例中，RO醚基可从结构512被切下以形成由结构514表示的1,2二醇中间化合物。在不同的实例中，1,2二醚结构512可与氢溴酸、氢碘酸、三溴化硼或三氯化铝中的一种或多种反应。

图5E描绘采用1,2二醚部分形成结构514表示的1,2二醇中间化合物的对应于图4A和图4B中示出的总体方案的一部分的示例性反应图解。

参照图5E，在不同的实例中，石墨烯单层500可与三价碘氧芳基试剂和羧基前体R-Het反应，其中R可以是-R^a。

在不同的实例中，三价碘氧芳基试剂可包括，如在对图5D的说明中所述制备的亚碘酰苯四氟硼酸酯、亚碘酰苯六氟锑酸酯或亚碘酰苯六氟磷酸酯。

在不同的实例中，R-Het表示的活化氧代试剂合适的羧基前体(其中R可以是-R^a)可包括式R-CO₂H的羧酸、具有碱金属阳离子的R-CO₂ ^-的盐、具有碱土金属阳离子的R-CO₂ ^-的盐等。石墨烯单层500中的碳碳双键C_g＝C_g可与三价碘氧芳基试剂和R-Het表示的羧基前体反应以形成通过结构512表示的1,2-二酯部分而功能化的石墨烯单层。

参照图5E，在不同的实例中，碘酰芳基(iodosylaryl)试剂和羧基前体R-Het可共同形成对应于R-Het*的复合体。例如，R-Het*可表示(二(R-CO₂)碘代(III))苯，其可通过将苯、过硫酸钾、元素碘和R-Het＝R-CO₂H在浓硫酸存在下反应形成。在不同的实例中，石墨烯单层500可与(二(R-CO₂)碘代(III))苯以及三氟甲磺酸酯、高氯酸酯、甲磺酸酯、磺酸酯、甲基苯磺酸酯、溴苯磺酸酯或硝基苯磺酸酯等的铜(I)或铜(II)盐反应。石墨烯单层500中的碳碳双键可与(二(R-CO₂)碘代(III))苯反应以形成通过结构518表示的1,2-二酯部分功能化的石墨烯单层。

参照图5E，在不同的实例中，可将1,2-二酯部分518中的RCO₂-C_g羧基水解以形成结构514表示的1,2二醇化合物。在不同的实例中，合适的条件可包括将1,2-二酯部分518与酸或碱在适合于将1,2-二酯部分518水解的条件下接触以形成结构514表示的1,2二醇化合物。在不同的实例中，合适的酸可包括HF、HCl、HBr、HI、H₂SO₄、磷酸、甲磺酸、三氟甲磺酸、甲基苯磺酸、溴苯磺酸或硝基苯磺酸等。在不同的实例中，合适的条件可包括将1,2-二酯部分518与碱(例如碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物或碱土金属氧化物等)接触。在其它实例中，合适的碱可包括季铵氢氧化物，例如，四甲基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵等。在不同的实例中，可添加季铵盐，例如，四丁基硫酸铵、四乙基溴化铵等。在不同的实例中，合适的条件可包括提供水源。在不同的实例中，合适的条件可包括包含水相和有机相的两相体系，其中所述有机相可包括四氢呋喃、二噁烷或***等。在不同的实例中，合适的条件可包括在约20℃至约100℃进行加热。在其中可采用两相体系的不同实例中，合适的条件可包括在约20℃至大约有机相(例如，四氢呋喃)沸点进行加热。

再次参照图5D和图5E，在不同实例中，可将由结构514表示的1,2二醇中间化合物通过热解切下和钝化以提供结构516——具有通过移除两个石墨烯碳C_g限定的孔的石墨烯单层。可将由结构514表示的1,2二醇中间化合物加热。在一些实例中，可将由结构514表示的1,2二醇中间化合物在氢气的存在下加热。合适的温度为约700℃至约900℃；在不同实例中为约750℃至约850℃；或者在一些实例中为约800℃。合适的反应时间为约1分钟至约12小时；在不同实例中为约10分钟至约4小时；在一些实例中为约15分钟至约2小时；或者在其它实例中为约30分钟。在不同实例中，合适的氢气条件为约1托至约7600托的氢气压力；在一些实例中为约1托至约760托；或者在其它实例中为约10托至约100托，例如50托。其它合适的氢气条件可包括约1sccm至约25sccm的氢气流量，在不同实例中为约1sccm至约5sccm；或者在一些实例中为约3sccm。可将两个C_g-OH基团从结构514的表面通过热解切下。热解切割可催生一种或多种物质，例如，氢、羟基、一氧化碳、二氧化碳、水等。可采用通过氢的钝化以提供结构516——具有通过移除两个石墨烯碳C_g限定的孔的石墨烯单层。穿孔的石墨烯结构516对应于离散孔122的双碳空位缺陷，例如在图1D中的穿孔的石墨烯单层120中描绘的。

示例性实施方式还可包括制造示例性膜的方法，所述示例性膜包含被多个纳米级孔穿孔的石墨烯层；以及配置用于接触石墨烯层表面的气体吸附剂，其中气体吸附剂经配置用于将吸附在气体吸附剂处的至少一种气体引导至纳米级孔中。示例性实施方式还可包括制备本文描述的任何其它特征，例如，穿孔的石墨烯单层。这些方法可以任意数量的方式实施，包括本文描述的结构。一个这样的方式可以是通过本公开中所述类型的设备的机器操作。另一个可选的方式可以是要结合一个或多个操作人员执行的方法的一个或多个单独操作，其中操作人员执行一些操作，而其他操作可通过机器执行。这些操作人员不需要彼此搭配，但每个人可能仅与执行一部分程序的机器搭配。在其它实例中，人机交互可能是自动的，诸如通过可以是机器自动化的预选择的标准。

图6A是显示可用于制造示例性膜(诸如根据本文描述的至少一些实施方式的膜202、212、222、232和300)的操作的流程图。图6B是显示可用于制造示例性的穿孔的石墨烯单层(诸如根据本文描述的至少一些实施方式的穿孔的石墨烯单层106或120)的额外操作的流程图。

首先参照图6A，制造实例膜的方法可包括如方框621、623、625和/或627中的一个或多个图示的一个或多个操作、行动或功能。所述方法可开始于操作“提供具有纳米级孔的石墨烯层”，比如石墨烯层106。在不同的实例中，操作621可包括获得石墨烯膜。在一些实例中，操作621可包括制备石墨烯膜。控制器设备610可作为计算设备800、生产控制器790或执行存储在计算机可读介质620中的指令的类似设备实施以便控制所述方法的进行。控制器设备610可操作图7A的“石墨烯操控器”机器791以进行操作621。机器791可包括一个或多个操控功能，比如显微操控器、接触印刷操控器、静电操控器、气体或真空操控器等。

制造示例性膜的方法可包括操作623“将气体吸附剂与石墨烯层表面接触”，例如用于生产图2A至2D中描绘的气体吸附剂构型。在不同的实例中，制造示例性膜的方法可包括可选的操作625“配置作为纳米颗粒的吸附剂”。许多气体吸附剂可以纳米颗粒制剂获得，例如，适用于氢吸附的钯可作为胶态纳米颗粒商购。在不同的实例中，制造实例膜的方法可包括操作627“配置作为原子单层的吸附剂”。气体吸附剂(诸如钯和其它金属)可通过原子气相沉积、原子层沉积或化学气相沉积(或在一些实例中，经由用石墨烯层作为阴极的电化学沉积)作为原子单层施加。

控制器设备610可操作“吸附剂沉积器”机器793(可选地连同“石墨烯操控器”机器791)以进行操作623、625和/或627。控制器设备610可为机器793和/或791提供关于诸如施加气体吸附剂的位置和图案结构、气体吸附剂沉积的化学或物理参数等的参数。

现参照图6B，制造示例性的穿孔的石墨烯单层(如106或120)的方法可包括操作622“将R-Het*与石墨烯单层的多个位置接触”，例如石墨烯单层100。试剂可以任何合适的形式与石墨烯单层接触，比如固体、液体、气体、溶液中的溶质、悬浮液中的颗粒等。R-Het*试剂可通过任何合适的装置或方法与石墨烯单层接触，比如通过采用：溶液涂布装置；旋涂装置；浸涂装置；例如经由承压流体涂敷器(例如喷墨型喷嘴)涂敷的选择性涂布装置；利用冷凝器、真空室和/或加热器的升华或冷凝；化学气相沉积等。

控制器设备610可操作“混合器/反应器/R-Het*添加/涂敷器”机器792以执行操作622。机器792可包括一个或多个混合功能，比如机械搅拌、加热、超声，以便使如上所述的试剂溶解和/或反应。机器792还可包括一个或多个用于将试剂(如R-Het*)与石墨烯接触的涂敷或涂布功能。在操作622处，生产控制器790可向机器792传达关于诸如基于采用的试剂的机械搅拌或反应的程度的参数。可持续操作622直至可达到期望的点，例如，反应已经进行了足够长的时间以将石墨烯单层表面功能化。

在一些实例中，如在上面针对图5A、5B、5C、5D和5E讨论的，通过将R-Het*前体活化以形成活化的杂原子(如R-氮宾、[RO]或[RCO₂])，可在石墨烯单层的存在下制备R-Het*试剂。在不同的实例中，合适的试剂活化器装置可包括以下中的一种或多种：电阻式加热元件；红外激光器；紫外光源；和/或一种或多种试剂储槽，例如，配置用于将前体化合物R-Het和三价碘氧芳基化合物接触的反应室等。

再次参照图6B，所述方法可包括操作624“提供位置间的分隔距离”，比如分隔距离104或118。在不同的实例中，可通过选择具有期望的空间体量的R基团提供分隔距离，其中所述分隔距离可为基团R的最小空间半径r_R的至少约两倍。在一些实例中，例如通过在低浓度的R-Het*下进行反应使得石墨烯单层表面稀疏地反应，可增加分隔距离。在一些实例中，经由利用承压流体涂敷器等图案化地涂敷R-Het*而使石墨烯单层与R-Het*在选择的位置接触，可间接调节分隔距离。

所述方法可包括操作626“将每个R-Het*在每个位置处与石墨烯碳反应”。在一些实例中，所述反应可在R-Het*与石墨烯单层接触之后发生。在其它实例中，R-Het可在石墨烯单层的选定位点活化。例如，当R-Het可以是R-叠氮化物时，可使用紫外光源(如紫外灯、紫外发光二极管)或准直光源(如紫外激光器)以光解方式生成作为R-氮宾的R-Het*。在一些实例中，准直光源(如紫外激光器)可用于在石墨烯单层上的特定位点以光解方式生成作为R-氮宾的R-Het*。控制器设备610可操作“加热器/光解器(photolyzer)”机器794，可选地连同机器792，以执行操作624和626。控制器设备610可为机器792和/或机器794提供关于例如涂敷R-Het*试剂的位置和图案结构、(例如通过光解活化、加热等)从R-Het前体活化R-Het*试剂的位置和图案结构的参数。可持续操作624直至可达到期望的点，例如，石墨烯单层有足够的时间反应达到期望的功能化水平。

所述方法可包括操作628“通过在钝化条件下产生碳空位缺陷形成孔”，比如孔108和122。在一些实例中，通过加热前体(诸如氮杂环丙烷504、β氨基醇508或1,2二醇514等)可形成孔，如108和122。形成孔108和122的合适的装置组件可包括加热器，比如电阻式加热元件或红外激光器。形成孔108和122的合适的装置组件还可包括氢源，例如，配置用于施加氢的分压或氢气流(同时可进行加热)的反应室。控制器设备610还可操作“加热器/光解器”机器794，可选地连同“氢钝化源”796，以执行操作628。可持续操作628直至可达到期望的点，例如，功能化的石墨烯单层有足够的时间反应以形成离散孔(如孔108或122)并使其钝化。

所述方法可包括操作630“将具有孔的石墨烯与渗透性支撑基底接触”。操作630可包括由在薄(例如，25微米厚)铜箔上制造的石墨烯单层制备如本文描述的示例性的穿孔的石墨烯单层。操作630还可包括一种或多种行为，比如：将合适的转移聚合物层沉积和固定在穿孔的石墨烯单层上；蚀刻以去除铜箔；洗涤所得的穿孔的石墨烯单层/固化聚合物；将穿孔的石墨烯单层表面与合适的渗透性基底接触；将聚合物的第二层再沉积和固化；用溶剂(如丙酮)将组合的聚合物层洗掉。操作630的合适的聚合物可包括，例如，聚甲基丙烯酸甲酯。操作630的合适的装置可包括涂布聚甲基丙烯酸甲酯的装置，例如，溶液涂布机、旋涂机、浸涂机等。操作630的合适的装置还可包括用于固化聚甲基丙烯酸甲酯的固化炉或紫外光源。操作630的额外合适的装置可包括蚀刻和洗涤室。操作630的进一步合适的装置可包括用于将穿孔的石墨烯单层表面与合适的渗透性基底接触的装置，比如接触式压机。在操作630处，处理器(例如，处理器610)可控制涂敷器、混合器和机器792的反应器功能以便将穿孔的石墨烯单层转移至渗透性基底(如302)，从而形成膜(如300)。操作630可包括一个或多个功能，比如：熔融加工；溶剂蒸发；减压溶剂蒸发；旋涂；浸涂；喷涂；溶剂浇铸；刮胶涂布(doctor blading)；在超临界条件下去除溶剂；从聚合物前体原位聚合；原位固化或交联聚合物；接触印刷；金属蚀刻；或聚合物蚀刻/溶解等。

上面描述的图6A和6B的工艺中包含的操作是出于说明目的。制造如本文描述的示例性穿孔的石墨烯单层或膜的工艺可通过具有较少的或额外的操作的类似工艺实施。在一些实例中，所述操作可以不同的顺序执行。在一些其它实例中，可将不同操作消除。在另外其它实例中，可将各种操作分成额外的操作，或者共同组成较少的操作。尽管以循序的操作进行图示，在一些实施方式中，各种操作可以不同的顺序进行；或者在一些情况中，各种操作可基本同时进行。

在各种实例中，本文描述的操作可包括将试剂与石墨烯单层或穿孔的石墨烯单层接触。例如，操作621可包括接触化学前体(如单体)以便形成聚合物气体吸附剂；操作622可包括将试剂R-Het*与石墨烯单层接触；操作630可包括将聚合物接触和固化至穿孔的石墨烯单层等。这种方法可包括一种或多种技术，比如：熔融加工；溶剂蒸发；减压溶剂蒸发；旋涂；浸涂；喷涂；喷墨式印刷；溶剂浇铸；刮胶涂布；在超临界条件下去除溶剂；从聚合物前体原位聚合；原位固化或交联聚合物等。可基于具体的气体吸附剂、R-Het*或聚合物选择合适的聚合物加工条件的具体细节。例如，典型的溶液浇铸方法采用讨论中的聚合物的高沸点溶剂。

图7A是用于制造根据本文描述的至少一些实施方式的示例性膜的自动化机器700的方框图。如图7A中图示的，“生产控制器”790可与可用于进行本文描述的操作的机器耦接，例如，“石墨烯操控器”791、“吸附剂沉积器”793、“电源”795和/或“加热器/泵”797。

机器793可采用电化学装置以便例如从胶态钯纳米颗粒的悬浮液电沉积一个或多个纳米颗粒层。机器793可用于例如从钯溶液电沉积溶剂的一个或多个原子层。例如，用作为电化学镀电路中的阴极的202可将金属气体吸附剂(如钯)的溶液电化学沉积在石墨烯层202上。在一些实例中，机器793可采用化学沉积室以便例如从钯的化学溶液沉淀一个或多个作为纳米颗粒的气体吸附剂层或一个或多个原子层。在一些实例中，机器793可采用浸涂装置、旋涂装置、接触印刷装置或加压喷涂装置，如喷墨式涂敷器。机器793可用于例如从分子或胶态气体吸附剂的化学溶液或悬浮液涂敷一个或多个作为纳米颗粒的气体吸附剂层或一个或多个原子层。例如，合适的溶液可包括溶于溶剂中的聚合物气体吸附剂。在另一个实例中，合适的悬浮液可包括活性炭纳米颗粒的胶态悬浮液。在一些实例中，机器793可采用原子气相沉积室或化学气相沉积室以生长一个或多个气体吸附剂纳米颗粒层或沉积一个或多个气体吸附剂原子层。在一些实例中，机器793可采用静电沉积器(如类似于激光打印机机构的粉末涂布装置)以便静电沉积一个或多个气体吸附剂纳米颗粒层。

图7B是可与用于制造根据本文所述至少一些实施方式的示例性穿孔石墨烯单层的自动化机器700耦接的其它机器元件的方框图。如图7B中图示的，生产控制器790可与可用于进行本文描述的操作的机器耦接，例如，“混合器/反应器/R-Het*添加/涂敷器”792、“加热器/光解器”794、“氢钝化源”796和/或“支撑基底涂敷器”798。

生产控制器790可通过人工控制进行操作，或者可通过经由网络710的远程控制器770指导。与控制制造穿孔的石墨烯单层及其膜的不同工艺相关的数据可存储在数据存储器780和/或从数据存储器780接收。

图8图示通用计算设备，其可用于控制图7A或7B的自动化机器700或类似的根据本文所述至少一些实施方式制造示例性膜的制造设备。在基础配置802中，计算设备800一般可包括一个或多个处理器804以及***存储器806。存储器总线808可用于处理器804和***存储器806之间的通信。

根据所需的配置，处理器804可以是任何类型，包括但不限于微处理器(μP)、微控制器(μC)、数字信号处理器(DSP)或其任意组合。处理器804可以包括一级或更高级高速缓存(例如高速缓冲存储器812)、处理器核814和寄存器816。实例处理器核814可以包括运算逻辑单元(ALU)、浮点单元(FPU)、数字信号处理核心(DSP核心)或其任意组合。实例存储器控制器818也可以与处理器804一起使用，或者在一些实施方式中，存储器控制器818可以是处理器804的内部部件。

根据所需的配置，***存储器806可以是任何类型，包括但不限于易失性存储器(例如RAM)、非易失性存储器(例如ROM、闪存等)或其任意组合。***存储器806可以包含操作***820、一个或多个生产控制应用822和程序数据824。生产控制应用822可以包含可布置用于控制图7A和7B的自动化机器700以及上述的任何其它工艺、方法和功能的控制模块826。程序数据824可以包括用于控制自动化机器700的各个方面的材料数据828以及其它数据。上述基础配置802由图8中的内层虚线中的那些组件图示。

计算设备800可以具有额外的特征或功能以及额外的接口以辅助基础配置802与任何需要的设备和接口之间的通信。例如，总线/接口控制器830可以用来辅助基础配置802通过存储接口总线834与一个或多个数据存储设备832进行通信。数据存储设备832可以是移动式存储设备836、非移动式存储设备838或其组合。仅举例而言，移动式存储设备和非移动式存储设备的实例包括磁盘设备(例如软盘驱动器和硬盘驱动器(HDD))、光学碟片驱动器(例如光盘(CD)驱动器或数字多功能光碟(DVD)驱动器)、固态驱动器(SSD)和磁带驱动器。实例计算机存储介质可以包括在任何信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)存储方法或技术中使用的易失性和非易失性、移动式或非移动式的媒介。

***存储器806、移动式存储设备836和非移动式存储设备838是计算机存储介质的实例。计算机存储介质包括但不限于：RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术，CD-ROM、数字多功能光碟(DVD)或其它光学存储，盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁性存储设备，或可用于存储所需的信息并且可以被计算设备800访问的其它任何媒介。任何此类计算机存储介质都可以是计算设备800的一部分。

计算设备800还可以包括接口总线840，用于辅助各种接口设备(例如，输出设备842、外部接口844和通信设备846)通过总线/接口控制器830与基础配置802通信。示例输出设备842包括图形处理单元848和音频处理单元850，它们可以配置成通过一个或多个A/V端口852与多个外部设备(例如显示器或扬声器)通信。示例外部接口544包括串行接口控制器854或并行接口控制器856，它们可以配置成通过一个或多个I/O端口858与诸如输入设备(例如键盘、鼠标、手写笔、语音输入设备、接触式输入设备等)或其它外部设备(例如，打印机、扫描仪等)等外部设备通信。示例通信设备866可包括网络控制器860，网络控制器860可以设置成辅助与在网络通信连接另一端的一个或多个其它计算设备862通过一个或多个通信端口864进行通信。

网络通信连接可以是通信媒介的一个实例。通信媒介通常可以通过计算机可读指令、数据结构、程序模块或调制数据信号中的其它数据来具体实现，例如载波或其它传输机制，并且可以包括任何信息传递媒介。“调制数据信号”可以是以使其对信号中的信息进行编码的方式设定或改变了其一个或多个特征的信号。举例而言，但并非进行限制，通信媒介可以包括有线媒介(例如有线网络或直接有线连接)和无线媒介(例如声学、射频(RF)、微波、红外(IR)和其它无线媒介)。本文所用的术语“计算机可读媒介”可以包括存储介质和通信媒介。

计算设备800可作为一部分物理服务器、虚拟服务器、计算云或可包含任何上述功能的混合式设备来实施。计算设备800还可作为个人计算机(包括手提式计算机和非手提式计算机配置)来实施。此外，计算设备800可作为网络***或通用或专用服务器的部件来实施。

包含计算设备800的网络***的网络可包括服务器、客户端、交换器、路由器、调制解调器、因特网服务供应商以及任何适当的通信媒介(例如，有线或无线通信)的拓扑结构。根据实施方式的***可具有静态或动态网络拓扑结构。网络可包括安全网络，如企业网络(例如，LAN、WAN或WLAN)；未加密网络，如无线开放式网络(例如，IEEE802.11无线网络)；或者世界范围的网络(例如，因特网)。网络还可包括可适配于共同运行的多个独特网络。这种网络可配置用于在本文描述的节点之间提供通信。举例而言，但并非进行限制，这些网络可包含无线媒介，比如声学、RF、红外和其它无线媒介。此外，所述网络可以是相同网络的各部分或不同的网络。

图9A和9B图示可用于在制造示例性膜中控制图7A和7B的自动化机器或类似的制造装置的实例计算机程序产品的方框图，所述膜根据本文描述的至少一些实施方式排列。在一些实例中，如图9A和9B中所示，计算机程序产品900可包含信号承载介质902，其还可包含机器可读指令903和904，当诸如通过处理器执行所述指令时，可提供上面参照图6A至图8描述的功能。例如，针对处理器790，可响应于通过介质902传输至处理器790的指令903或904进行图9A或9B中所示的一个或多个任务，以便执行与制造本文描述的示例性膜或示例性的穿孔的石墨烯单层相关的操作。

上述指令中的一些可包括，例如，用于下列项目的一个或多个指令903：提供具有纳米级孔的石墨烯层；将气体吸附剂与石墨烯层接触；将气体吸附剂配置为纳米颗粒或原子单层；和/或将纳米级孔配置为畅通的或被气体吸附剂堵塞。

那些指令中的一些可包括，例如，用于下列项目的一个或多个指令904：将R-Het*与石墨烯单层处的多个位置接触；在不同位置之间设置分隔距离；将每个R-Het*与至少一个石墨烯碳原子反应；在石墨烯单层中形成多个离散孔；和/或将穿孔的石墨烯单层与渗透性基底接触。

在一些实施方式中，信号运载媒介902可以包括计算机可读介质906，例如但不限于硬盘驱动器、光盘(CD)、数字激光视盘(DVD)、数字磁带和存储器等。在一些实施方式中，信号运载媒介902可以包括记录介质908，例如但不限于存储器、可读写(R/W)CD、R/W-DVD等。在一些实施方式中，信号运载媒介902可以包括通信介质910，例如但不限于数字和/或模拟通信媒介(例如光纤缆、波导管、有线通信连接和无线通信连接等)。例如，可以利用RF信号运载介质902将计算机程序产品900传达给处理器804，其中，通过无线通信介质910(例如，符合IEEE802.11标准的无线通信介质)来传达信号运载介质902。虽然实施方式将在结合在个人计算机的操作***上运行的应用程序执行的程序模块的整体上下文中进行描述，本领域技术人员将认识到各方面也可结合其它程序模块来实施。

一般而言，程序模块可包括常式、程序、组件、数据结构以及执行具体任务或实施特别抽象数据类型的其它类型的结构。而且，本领域技术人员将明白实施方式可通过其它计算机***配置实践，包括便携设备、多处理器***、基于微处理器的或可编程的消费性电子产品、微型计算机、大型计算机以及堪比的计算设备。实施方式还可在分布式计算环境中实践，其中可通过可经通信网络链接的远程处理设备执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可同时位于本地和远程存储器设备中。

实施方式可作为计算机执行过程(方法)、计算***，或作为制品(如计算机程序产品或计算机可读媒介)来实施。计算机程序产品可以是计算机存储介质，其可通过计算机***读取，并且编码包含使计算机或计算机***执行实例过程(一个或多个)的指令的计算机程序。计算机可读存储介质可(诸如)通过易失性计算机存储器、非易失性计算机存储器、硬盘驱动器、闪存盘、软盘或光盘以及堪比的媒介中的一种或多种来实施。

在本说明书的全部范围内，术语“平台”可以是提供配置环境的软件和硬件组件的组合，其可利于出于各种目的的配置软件/硬件产品和服务。平台的实例可包括，但不限于在多个服务器上执行的主机服务、在单个计算设备上执行的应用以及堪比的***。术语“服务器”一般是指通常在网络环境中执行一个或多个软件程序的计算设备。然而，服务器还可作为被视为网络上的服务器的在一个或多个计算设备上执行的虚拟服务器(软件程序)。关于这些技术和实例操作的更多细节在下面提供。

示例性膜可包含被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。示例性膜还可包含可配置用于接触石墨烯层的表面的气体吸附剂。所述气体吸附剂配置用于将吸附在所述气体吸附剂的至少一种气体引导到所述纳米级孔中。

在不同实例中，多个纳米级孔的每一个的特征在于，平均直径在约0.1纳米至约4纳米。在一些实例中，多个纳米级孔中的至少一部分孔具有基本上相同的尺寸，使得石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。在其它实例中，所述多个纳米级孔的每一个的特征可在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

在不同实例中，所述气体吸附剂包括多个纳米颗粒。在一些实例中，所述多个气体吸附剂纳米颗粒的特征可在于，直径在约1纳米至约250纳米。在一些实例中，所述气体吸附剂可包括钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。在其它实例中，所述气体吸附剂可包括钯或渗透性有机聚合物中的至少一种。在不同实例中，气体吸附剂可包括至少一个原子单层。在一些实例中，在石墨烯层的表面的气体吸附剂的厚度可为约1个原子至约1微米。在其它实例中，所述气体吸附剂可经配置以基本在所述多个纳米级孔之间与石墨烯层的表面接触。在不同实例中，所述多个纳米级孔的至少一部分可基本上没有受到气体吸附剂层的阻塞。在一些实例中，所述多个纳米级孔的至少一部分至少部分地被所述气体吸附剂堵塞。在其它实例中，所述气体吸附剂包括钯纳米颗粒，所述钯纳米颗粒的特征在于平均直径在约20纳米至约100纳米。在不同实例中，所述气体吸附剂不包括金纳米颗粒。

形成膜的示例性方法可包括提供可被多个纳米级孔穿孔的石墨烯层。一些示例性形成方法还包括将气体吸附剂与石墨烯层的表面接触。各种示例性形成方法可进一步包括配置气体吸附剂以增加在石墨烯层的至少一种气体的表面浓度。

在形成膜的各种示例性方法中，多个纳米级孔的每一个的直径特征可在于平均直径在约0.1纳米至约4纳米。在一些实例中，所述多个纳米级孔的至少一部分的尺寸可基本相同，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。在其它实例中，所述多个纳米级孔的每一个的特征可在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述石墨烯单层整体可具有基本均匀的缺陷。

在不同实例中，形成膜的方法可进一步包括以多个气体吸附剂纳米颗粒的形式在石墨烯层的表面处配置气体吸附剂的至少一部分。在一些实例中，所述多个气体吸附剂纳米颗粒的特征可在于，直径在约1纳米至约250纳米。在进一步的实例中，所述方法还可包括配置至少一部分所述气体吸附剂以包含钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。在不同实例中，可在所述气体吸附剂层中包含钯或渗透性有机聚合物。

在一些实例中，形成膜的方法可进一步包括配置气体吸附剂的至少一部分以包含至少一个原子单层。在进一步的实例中，所述方法还可包括在石墨烯层的表面处配置气体吸附剂以使其具有约1个原子至约1微米的厚度。在不同实例中，所述方法可进一步包括将所述石墨烯层的表面处的气体吸附剂定位于基本处于多个纳米级孔之间。在一些实例中，所述方法可进一步包括在石墨烯层的表面配置气体吸附剂，其中所述多个纳米级孔的至少一部分基本没有受到所述气体吸附剂的阻塞。在进一步的实例中，所述方法还可包括用所述气体吸附剂堵塞所述多个纳米级孔的至少一部分。

在不同实例中，形成膜的方法还可包括通过下列方式中的一种或多种将气体吸附剂与石墨烯层的表面接触：从气体吸附剂溶液的电化学沉积；从气体吸附剂溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬浮液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；所述气体吸附剂的原子气相沉积；气体吸附剂的原子层沉积；气体吸附剂的化学气相沉积；气体吸附剂的物理气相沉积；和/或气体吸附剂颗粒的静电沉积。

从流体混合物中分离气体的实例方法可包括提供包含第一气体和第二气体的流体混合物。第二气体的分子大于第一气体的分子。分离的一些实例方法还可包括提供被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。每个纳米级孔的特征可在于，相比于第二气体，其直径选择性地促进第一气体通过。各种示例性的分离方法可进一步包括通过将流体混合物与在石墨烯层处的气体吸附剂接触而增加第一气体在石墨烯层处的表面浓度。示例性的分离方法还可包括采用穿透于石墨烯层中的纳米级孔根据尺寸从第二气体中选择性地分离第一气体。

在不同实例中，从流体混合物中分离气体的方法还可包括通过在石墨烯单层上施加处理梯度而将第一气体引导经过多个纳米级孔，其中所述处理梯度对应于温度梯度、压力梯度、气体浓度梯度或电场梯度中的一个或多个。在一些实例中，在石墨烯层的约1微米内的第一气体的浓度可通过气体吸附剂而增加。在其它实例中，所述多个纳米级孔的每一个的特征可在于约0.1纳米至约4纳米的直径。在不同实例中，所述多个纳米级孔的至少一部分的尺寸可基本相同，使得石墨烯层可整体具有基本均匀的孔径。在一些实例中，所述多个纳米级孔的每一个的特征在于相同数量的一个或多个在石墨烯单层中的空位缺陷，使得所述石墨烯单层可整体具有基本均匀的缺陷。在进一步的实例中，从流体混合物中分离气体的方法还可包括以多个气体吸附剂纳米颗粒的形式使用至少一部分气体吸附剂。在不同实例中，所述多个气体吸附剂纳米颗粒的特征可在于直径在约1纳米至约250纳米。

在一些实例中，从流体混合物中分离气体的方法还可包括采用至少一部分气体吸附剂以包含钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。在进一步的实例中，从流体混合物中分离气体的方法还可包括将石墨烯层的表面处的气体吸附剂定位于基本处于多个纳米级孔之间。在不同实例中，从流体混合物中分离气体的方法还可包括以在约200:1至约10^23:1的分离选择性从第二气体中分离第一气体。在一些实例中，所述第一气体是氦、氖、氩、氙、氪、氡、氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、C1-C4烷烃、硅烷、水或卤酸中的一种。

本公开还总体描述了具有存储于其上用于制造实例膜的实例指令的实例计算机可读存储介质。实例指令可包括提供可被多个纳米级孔穿透的石墨烯层。一些实例指令还可包括通过下列方式中的一种或多种将气体吸附剂与石墨烯层的表面接触：从气体吸附剂溶液的电化学沉积；从气体吸附剂溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；气体吸附剂的原子气相沉积；气体吸附剂的原子层沉积；气体吸附剂的化学气相沉积；气体吸附剂的物理气相沉积；和/或气体吸附剂颗粒的静电沉积。各种实例可进一步包括配置在石墨烯层的表面处的气体吸附剂以使其具有在约1个原子至约1微米的厚度的指令。

除非明确指明是单数，本文中使用的术语“一个”和“一种”指的是“一个或多个(一种或多种)”。例如，对“一种碱”的引用可包括两种或更多种碱的混合物，以及单个的碱。

本文使用的“约”将被本领域普通技术人员理解，并且将取决于“约”所用的上下文而在一定程度上变化。如果本领域普通技术人员对术语的使用不明确，则根据使用该术语的上下文，“约”将指的是具体术语的至多±10％。

本文使用的术语“可选的”和“可选地”指的是随后描述的情况可以或不可以发生，使得描述可包括所述情况发生的实例以及其不出现的实例。

本文使用的“具有取代基”是指如下定义的有机基团(例如，烷基)，其中所含的与氢原子键合的一个或多个键被与非氢原子或非碳原子键合的键所代替。没有明确阐明为是具有或不具有取代基的基团既可以具有取代基也可不具有取代基。具有取代基的基团还包括这样的基团，其中与碳原子或氢原子键合的一个或多个键被与杂原子键合的键(包括双键或三键)所代替。除非另外说明，具有取代基的基团可能取代有一个或多个取代基。在一些实施方式中，具有取代基的基团取代有1、2、3、4、5或6个取代基。取代基的实例包括：卤素(即F、Cl、Br和I)；羟基；烷氧基、烯氧基、芳氧基、杂环基氧基和杂环基烷氧基；羰基(氧基)；羧基；酯基；聚氨酯基；肟基；羟基氨基；烷氧基氨基；芳烷氧基氨基；硫醇基；硫醚基；亚砜基；磺酰基；磺氨基；氨基；N-氧化物；肼基；酰肼基；腙基；叠氮基；酰氨基；脲基；脒基；胍基；烯氨基；酰亚氨基；异氰酸酯基；异硫氰酸酯基；氰酸酯基；硫氰酸酯基；亚氨基；硝基；氰基(即CN)等。

具有取代基的环基团(如具有取代基的环烷基、芳基、杂环基和杂芳基)也包括其中与氢原子键合的键可被与碳原子键合的键代替的环和环体系。具有取代基的环烷基、芳基、杂环基和杂芳基也可以取代有如下定义的具有或不具有取代基的烷基、烯基和炔基。

烷基包括可具有1至约12个碳原子的直链烷基和支链烷基，并且通常为1至10个碳原子，或者在一些实施方式为1至8、1至6或者1至4个碳原子。直链烷基的实例可包括诸如甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、正庚基和正辛基等基团。支链烷基的实例可包括但不限于，异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、新戊基、异戊基和2,2-二甲基丙基。代表性的具有取代基的烷基可以用如上述的那些取代基取代一次或多次，并且可包括但不限于，卤代烷基(例如，三氟甲基)、羟基烷基、硫代烷基、氨基烷基、烷基氨基烷基、二烷基氨基烷基、烷氧基烷基、羧基烷基等。

环烷基可包括在环中具有3至12个碳原子的单环烷基、双环烷基或三环烷基，在一些实施方式中，具有3至10、3至8或3至4、5或6个碳原子。示例性单环环烷基可包括但不限于，环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基和环辛基。在一些实施方式中，环烷基具有3至8个环成员，而在其它实施方式中，环碳原子的数量在3至5、3至6或3至7。双环和三环体系可包括桥联的环烷基和稠环，例如但不限于，双环[2.1.1]己烷、金刚烷基、十氢萘基等。具有取代基的环烷基可以用如上定义的非氢和非碳基团取代一次或多次。然而，具有取代基的环烷基还可包括取代有如上定义的直链或支链烷基的环。代表性的取代环烷基可以是单取代的，或者取代超过一次，例如但不限于，2,2-、2,3-、2,4-、2,5-或2,6-二取代的环己基，其可以取代有诸如上述的那些取代基。

芳基可以是不含有杂原子的环状芳族烃基。芳基包括单环、双环和多环环体系。芳基可包括但不限于，苯基、薁基、庚搭烯基(heptalenyl)、联苯基、芴基、菲基、蒽基、茚基、茚满基、并环戊二烯基(pentalenyl)和萘基。在一些实施方式中，芳基在所述基团的环部分含有6至14个碳原子，而在其它实施方式中为6至12个碳原子或者甚至6至10个碳原子。在一些实施方式中，芳基可以是苯基或萘基。“芳基”可包括含有稠环的基团，例如稠合的芳族-脂族环体系(例如，茚满基、四氢萘基等)。除非明确阐明为具有取代基或不具有取代基的芳基，否则“芳基”既可以是不具有取代基，又可以取代有键合到环成员之一的其它基团，比如烷基或卤素基团。代表性的具有取代基的芳基可以是单取代的或取代多于一次。例如，单取代的芳基包括但不限于2-、3-、4-、5-或6-取代的苯基或萘基，其可以取代有诸如上面列举的那些取代基。

芳烷基可以是如上定义的烷基，其中所述烷基的氢或碳键被与如上定义的芳基键合的键所代替。在一些实施方式中，芳烷基含有7至16个碳原子、7至14个碳原子或7至10个碳原子。具有取代基的芳烷基可以在所述基团的烷基、芳基或同时在烷基和芳基部分上取代。代表性芳烷基包括但不限于苄基和苯乙基，和稠合的(环烷基芳基)烷基如4-茚满乙基。代表性的具有取代基的芳烷基可以用诸如上面列举的那些取代基取代一次或多次。

杂环基可包括含有3个或更多个环成员的芳族(也称为杂芳基)和非芳族环化合物，其中环成员的一个或多个是杂原子，例如但并不限于N、O和S。在一些实施方式中，杂环基含有1、2、3或4个杂原子。在一些实施方式中，在一些实施方式中，杂环基可包括具有3至16个环成员的单环、双环和三环，而其它这种基团具有3至6、3至10、3至12或3至14个环成员。杂环基团包括芳族的、部分不饱和的和饱和的环体系，例如咪唑基、咪唑啉基和咪唑烷基。术语“杂环基”可包括稠环种类，包括那些包含稠合芳族和非芳族基团的种类，比如，苯并***基、2,3-二氢苯并[1,4]二氧己环基和苯并[1,3]二氧戊环基。“杂环基”还可包括含有杂原子的桥联的多环体系，比如但不限于奎宁基。除非明确阐明为具有取代基或不具有取代基的，否则“杂环基”既可以是未取代的，又可以取代有键合到环成员之一的其它基团，比如烷基、桥氧基或卤素基团。杂环基可包括但不限于，氮杂环丙基、氮杂环丁基、吡咯烷基、咪唑烷基、吡唑烷基、噻唑烷基、四氢噻吩基、四氢呋喃基、二氧戊环基(dioxolyl)、呋喃基、噻吩基、吡咯基、吡咯啉基、咪唑基、咪唑啉基、吡唑基、吡唑啉基、***基、四唑基、噁唑基、异噁唑基、噻唑基、噻唑啉基、异噻唑基、噻二唑基、噁二唑基、哌啶基、哌嗪基、吗啉基、硫代吗啉基、四氢吡喃基、四氢硫代吡喃基、氧硫杂环己烷(oxathiane)基、二氧六环基、二噻烷基(dithianyl)、吡喃基、吡啶基、嘧啶基、哒嗪基、吡嗪基、三嗪基、二氢吡啶基、二氢二噻烷基(dihydrodithiinyl)、二氢二亚硫酰基(dihydrodithionyl)、高哌嗪基、奎宁基、吲哚基、二氢吲哚基、异吲哚基、氮杂吲哚基(吡咯并吡啶基)、吲唑基、吲嗪基、苯并***基、苯并咪唑基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、苯并噻唑基、苯并噁二唑基、苯并噁嗪基、苯并二噻烷基(benzodithiinyl)、苯并呫吨基(benzoxathiinyl)、苯并噻嗪基、苯并噁唑基、苯并噻唑基、苯并噻二唑基、苯并[1,3]间二氧戊环基、吡唑并吡啶基、咪唑并吡啶基(氮杂苯并咪唑基)、***并吡啶基、异噁唑并吡啶基、嘌呤基、黄嘌呤基、腺嘌呤基、鸟嘌呤基、喹啉基、异喹啉基、喹嗪基、喹喔啉基(quinoxalinyl)、喹唑啉基(quinazolinyl)、噌啉基(cinnolinyl)、酞嗪基、萘啶基、蝶啶基(pteridinyl)、硫杂萘基、二氢苯并噻嗪基、二氢苯并呋喃基、二氢吲哚基、二氢苯并二氧己环基、四氢吲哚基、四氢吲唑基、四氢苯并咪唑基、四氢苯并***基、四氢吡咯并吡啶基、四氢吡唑并吡啶基、四氢咪唑并吡啶基、四氢***并吡啶基和四氢喹啉基。代表性的具有取代基的杂环基可以是单取代的或取代超过一次，例如但不限于吡啶基或吗啉基，其是被诸如上面列举那些的各种取代基的2-、3-、4-、5-或6-取代的或者二取代的。

杂环芳基可包括含有5个或更多个环成员的芳族环化合物，其中环成员的一个或多个是杂原子，例如但并不限于N、O和S。杂环芳基包括但不限于，诸如吡咯基、吡唑基、***基、四唑基、噁唑基、异噁唑基、噻唑基、吡啶基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、噻吩基、苯并噻吩基、呋喃基、苯并呋喃基、吲哚基、氮杂吲哚基(吡咯并吡啶基)、吲唑基、苯并咪唑基、咪唑并吡啶基(氮杂苯并咪唑基)、吡唑并吡啶基、***并吡啶基、苯并***基、苯并噁唑基,苯并噻唑基、苯并噻二唑基、咪唑并吡啶基、异噁唑吡啶基、硫杂萘基、嘌呤基、黄嘌呤基、腺嘌呤基、鸟嘌呤基、喹啉基、异喹啉基、四氢喹啉基、喹喔啉基和喹唑啉基等基团。杂环芳基包括其中环可以是芳族(如吲哚基)的稠合环化合物，并且包括其中仅一个环是芳族(如2,3-二氢吲哚基)的稠合环化合物。“杂环芳基”包括稠环化合物。除非明确阐明为具有或不具有取代基的，否则“杂环芳基”既可以是未取代的，又可以取代有键合到环成员之一的其它基团，比如烷基。代表性的具有取代基的杂环芳烷基可以用诸如上面列举的那些取代基取代一次或多次。

杂芳烷基可以是如上定义的烷基，其中烷基的氢或碳键被与如上定义的杂环芳基键合的键所代替。具有取代基的的杂环芳烷基可以在所述基团的烷基、杂环芳基或同时在烷基和杂环芳基部分上取代。代表性的杂环芳烷基可以用诸如上面列举的那些取代基取代一次或多次。

本文描述的在所述技术的化合物内具有两个或更多个附接点(即，二价、三价或多价的)的基团可用前缀“亚”来指定。例如，二价烷基可以是亚烷基，二价芳基可以是亚芳基，二价杂环芳基可以是亚杂环芳基等。

烷氧基可以是其中与氢原子键合的键被与上述定义的具有或不具有取代基的烷基的碳原子键合的键可被代替的羟基(-OH)。直链烷氧基的实例包括但不限于甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基、己氧基等。支链烷氧基的实例包括但不限于异丙氧基、仲丁氧基、叔丁氧基、异戊氧基、异己氧基等。环烷氧基的实例包括但不限于环丙氧基、环丁氧基、环戊氧基、环己氧基等。代表性的具有取代基的烷氧基可以用诸如上面列举那些的取代基取代一次或多次。

本文使用的术语“胺”(或“氨基”)是指NR₅R₆基团，其中R₅和R₆可以独立地为氢，或者如本文限定的具有或不具有取代基的的烷基、烯基、炔基、环烷基、芳基、芳烷基、杂环烷基或杂环基。在一些实施方式中，胺可以是烷基氨基、二烷基氨基、芳基氨基或烷基芳基氨基。在其它实施方式中，胺可以是NH₂、甲氨基、二甲氨基、乙氨基、二乙氨基、丙氨基、异丙氨基、戊氨基或苄氨基。术语“烷基氨基”可定义为NR₇R₈，其中R₇和R₈中至少一个可以是烷基，并且另一个可以是烷基或氢。术语“芳基氨基”可定义为NR₉R₁₀，其中R₉和R₁₀中至少一个可以是烷基，并且另一个可以是芳基或氢。

本文使用的术语“卤素”或“卤代”是指溴、氯、氟或碘。在一些实施方式中，卤素可以是氟。在其它实施方式中，卤素可以是氯或溴。

在***各方面的硬件和软件实施方式之间有极少的差别，硬件或软件的使用一般是(但不总是，其中在某些环境中硬件和软件之间的选择可能变得重要)代表成本效益权衡的设计选择。存在可凭借其影响本文描述的工艺和/或***和/或其它技术的各种载具(例如，硬件、软件和/或固件)，并且优选的载具将随着部署所述工艺和/或***和/或其它技术的环境而变化。例如，如果实施者确定速度和精度是最重要的，则实施者可主要选择硬件和/或固件的载具；如果灵活性是最重要的，则实施者可选择主要进行软件实施；或者另外可选地，实施者可选择硬件、软件和/或固件的一些组合。

以上的详细描述通过使用方框图、流程图和/或示例，已经阐述了设备和/或工艺的众多实施方式。在这种方框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种方框图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过多种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施方式中，本文所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其它集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施方式的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一个或多个计算机***上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。

本公开不限于本申请中描述的意在阐明多个方面的特定实施方式。将对本领域技术人员显而易见的是，可以进行多种修改和变形而不脱离本发明的主旨和范围。根据前述说明，除了本文所列举的方法和装置外，本公开范围内的功能等价方法和装置将对本领域技术人员而言是显而易见的。意在将这些修改和变形都包含在所附权利要求的范围内。本公开仅会受到所附权利要求的条款以及这些权利要求所应有的等价物的完整范围的限制。应理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物组成或生物***，这些自然可以发生变化。还应当理解的是，本文所用的术语仅是出于描述特定实施方式的目的，而不试图进行限制。

另外，本领域技术人员将认识到，本文所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本文所述主题的示例性实施方式均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。

本领域技术人员将认识到，在本领域以在此阐述的方式来描述设备和/或工艺是常见的，并且其后使用工程实践来将所描述的设备和/或工艺集成到数据处理***中。换言之，本文所述的设备和/或工艺的至少一部分可以通过合理数量的试验而被集成到数据处理***中。本领域技术人员将认识到，典型的数据处理***一般包括以下各项中的一项或多项：***单元外壳；视频显示设备；存储器，如易失性和非易失性存储器；处理器，如微处理器和数字信号处理器；计算实体，如操作***、驱动器、图形用户接口、以及应用程序；一个或多个交互设备，如触摸板或屏幕；和/或控制***，包括反馈环。

典型的生产***可以利用任何合适的商用部件(如数据计算/通信和/或网络计算/通信***中存在的那些部件)予以实现。本文所述的主题有时说明不同部件包含在不同的其它部件内或者不同部件与不同的其它部件相连。应当理解，这样描述的架构只是示例，事实上可以实现许多能够实现相同功能的其它架构。在概念上，有效地“关联”用以实现相同功能的部件的任意设置，从而实现所需功能。因此，在此组合实现具体功能的任意两个部件可以被视为彼此“关联”从而实现所需功能，而无论架构或中间部件如何。同样，任意两个如此关联的部件也可以看作是彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现所需功能，且能够如此关联的任意两个部件也可以被视为彼此“能可操作地耦合”以实现所需功能。能可操作地耦合的具体示例包括但不限于物理上可配对和/或物理上交互的部件，和/或可无线交互和/或无线交互的部件，和/或逻辑交互和/或可逻辑交互的部件。

对于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员都可以在对上下文和/或应用适当的情况下将其从复数形式转化为单数形式或从单数形式转化成复数形式。为了清楚，本文中可以明确地阐明各种单数/复数变换。

本领域技术人员应理解的是，通常，本文所用的术语，尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中所用的术语，通常意在表示“开放式”术语(例如，术语“包括”应理解为“包括但不限于”，术语“具有”应理解为“至少具有”，术语“包含”应理解为“包含但不限于”，等等)。本领域技术人员还应理解的是，如果意图表示特定数量的所引入的权利要求叙述事项，则这种意图将明确记载在权利要求中，而在没有这种记载时，就不存在这种意图。例如，为了帮助理解，以下所附的权利要求可能包含引导性短语“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”的用法，用来引入权利要求叙述事项。然而，即使同一权利要求包含了引导性短语“一个(种)或多个(种)”或“至少一个(种)”和诸如“一个”或“一种”等不定冠词，对此类短语的使用也不应解读为是以下含义：由不定冠词“一个”或“一种”引入权利要求叙述事项，会将包含这些引入的权利要求叙述事项的特定权利要求限定为包含仅一个(种)这样的叙述事项的实施方式(例如“一个”和/或“一种”应理解为是表示“至少一个(种)”或“一个(种)或多个(种)”)；对于使用定冠词来引入权利要求叙述事项的情况也同样如此。此外，即使明确记载了特定数量的所引入的权利要求叙述事项，本领域技术人员也会认识到应当将此类记载解释为是表示至少所述数量(例如，如果仅记载了“两种叙述事项”而无其它修饰，其含义是至少两种叙述事项或两种以上叙述事项)。

此外，在使用与“A、B和C等中的至少一种”类似的限定时，通常，此类表述意在具有使本领域技术人员会理解此类限定的含义(例如，“具有A、B和C中至少一种的***”应包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有AB、具有AC、具有BC、和/或具有ABC等的***)。在使用与“A、B或C等中的至少一种”类似限定的那些情况中，通常，此类表述意在具有使本领域技术人员会理解此类限定的含义(例如，“具有A、B或C中至少一种的***”应包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有AB、具有AC、具有BC、和/或具有ABC等的***)。本领域技术人员还应理解的是，不论在说明书、权利要求书还是附图中，表示两种以上择一性事项的任何选言性词语实际上都应理解为涵盖了包括这些事项中的某一项、任一项或全部两项在内的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括了“A”或“B”或“A和B”的可能性。

另外，如果以马库什组的方式描述了本公开的特征和方面，则本领域技术人员会认识到还藉此以马库什组中的任何单独成员或成员子组的方式描述了本公开。本领域技术人员应理解的是，出于任何目的和所有目的，例如在提供书面说明方面，本文公开的所有范围还包括这些范围的任何或全部可能的子范围和子范围的组合。对于任何列出的范围，都应容易地认识到充分地描述了并能够得到被分割为至少两等份、三等份、四等份、五等份、十等份等的同一范围。作为非限制性实例，本文所述的每个范围都可以容易地分割为下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。本领域技术人员还应理解的是，所有例如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”等用语都包括了所述的数字，并且指可以继续分割为上述子范围的范围。最后，本领域技术人员还应理解，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1～3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组。类似的，具有1～5个单元的组是指具有1、2、3、4或5个单元的组，以此类推。虽然本文已公开了多个方面和实施方式，但对本领域技术人员而言其它方面和实施方式将变得显而易见。

本文公开的多个方面和实施方式是为了进行说明而非意在进行限制，且由以下权利要求来说明真正的范围和主旨。

Claims (31)

1.一种膜，其包括：

石墨烯层，其被多个纳米级孔穿透；以及

气体吸附剂，其被配置用于接触所述石墨烯层的表面，

其中所述气体吸附剂被配置用于将吸附于所述气体吸附剂的至少一种气体引导到所述纳米级孔中，

其中所述气体吸附剂为纳米颗粒的形式，

其中在所述石墨烯层的所述表面处的所述气体吸附剂的厚度为1个原子至1微米，

其中所述纳米级孔的平均直径为0.1纳米至4纳米，并且

其中所述多个纳米级孔中的至少一部分孔具有基本上相同的尺寸，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

2.权利要求1所述的膜，其中所述多个纳米级孔的每一个的特征在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

3.权利要求1所述的膜，其中所述多个气体吸附剂纳米颗粒的直径为1纳米至250纳米。

4.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂包括钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。

5.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂包括钯或渗透性有机聚合物中的至少一种。

6.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂包括至少一个原子单层。

7.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂被配置来与基本处于所述多个纳米级孔之间的所述石墨烯层的表面接触。

8.权利要求1所述的膜，其中所述多个纳米级孔的至少一部分基本上没有受到所述气体吸附剂的阻塞。

9.权利要求8所述的膜，其中所述多个纳米级孔的至少一部分被所述气体吸附剂至少部分地堵塞。

10.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂包括钯纳米颗粒，所述钯纳米颗粒的平均直径为20纳米至100纳米。

11.权利要求1所述的膜，其中所述气体吸附剂不包括金纳米颗粒。

12.一种形成膜的方法，其包括：

提供被多个纳米级孔穿透的石墨烯层；

将气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触；

配置所述气体吸附剂以增加在所述石墨烯层的所述表面处的至少一种气体的表面浓度；和

以多个气体吸附剂纳米颗粒的形式在所述石墨烯层的表面处配置所述气体吸附剂的至少一部分，

其中在所述石墨烯层的所述表面处的所述气体吸附剂的厚度为1个原子至1微米，

其中所述纳米级孔的平均直径为0.1纳米至4纳米，并且

其中所述多个纳米级孔的至少一部分的尺寸基本相同，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

13.权利要求12所述的方法，其中所述多个纳米级孔的每一个的特征在于石墨烯单层中的一个或多个碳空位缺陷，使得所述石墨烯单层整体具有基本均匀的缺陷。

14.权利要求12所述的方法，其中所述气体吸附剂纳米颗粒的直径为1纳米至250纳米。

15.权利要求12所述的方法，其中至少一部分所述气体吸附剂包含钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。

16.权利要求12所述的方法，所述气体吸附剂包含钯或渗透性有机聚合物。

17.权利要求12所述的方法，进一步包括配置所述气体吸附剂的至少一部分以包含至少一个原子单层。

18.权利要求12所述的方法，其中，所述将气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触的步骤包括将在所述石墨烯层的表面处的所述气体吸附剂定位于基本处于所述多个纳米级孔之间。

19.权利要求12所述的方法，所述将气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触的步骤包括在所述石墨烯层的所述表面处配置所述气体吸附剂，从而所述多个纳米级孔的至少一部分基本没有受到所述气体吸附剂的阻塞。

20.权利要求19所述的方法，进一步包括用所述气体吸附剂堵塞所述多个纳米级孔的至少一部分。

21.权利要求12所述的方法，所述将气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触的步骤包括通过下列方式中的一种或多种将所述气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触：从所述气体吸附剂的溶液的电化学沉积；从所述气体吸附剂的溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬浮液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂的溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；所述气体吸附剂的原子气相沉积；所述气体吸附剂的原子层沉积；所述气体吸附剂的化学气相沉积；所述气体吸附剂的物理气相沉积；和/或所述气体吸附剂的颗粒的静电沉积。

22.一种从流体混合物中分离气体的方法，其包括：

提供包含第一气体和第二气体的流体混合物，其中所述第二气体的分子大于所述第一气体的分子；

提供被多个纳米级孔穿透的石墨烯层，其中，相比于所述第二气体，每个所述纳米级孔的直径选择性地促进所述第一气体通过；

通过将所述流体混合物与在所述石墨烯层处的气体吸附剂接触而增加所述第一气体在所述石墨烯层处的表面浓度，其中至少一部分所述气体吸附剂为多个气体吸附剂纳米颗粒的形式，并且其中在所述石墨烯层的表面处的所述气体吸附剂的厚度为1个原子至1微米；以及

采用穿透于所述石墨烯层中的所述纳米级孔根据尺寸从所述第二气体中选择性地分离所述第一气体，

其中所述多个纳米级孔的每一个的直径为0.1纳米至4纳米，并且

其中所述多个纳米级孔的至少一部分的尺寸基本相同，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。

23.权利要求22所述的方法，其中，从所述第二气体中选择性地分离所述第一气体的步骤包括通过沿着石墨烯单层施加处理梯度而将所述第一气体引导经过所述多个纳米级孔，其中所述处理梯度对应于温度梯度、压力梯度、气体浓度梯度或电场梯度中的一个或多个。

24.权利要求22所述的方法，其中，增加所述第一气体的表面浓度的步骤包括使在所述石墨烯层的1微米内的所述第一气体的浓度通过所述气体吸附剂而增加。

25.权利要求22所述的方法，其中所述多个纳米级孔的每一个的特征在于相同数量的一个或多个在石墨烯单层中的空位缺陷，使得所述石墨烯单层整体具有基本均匀的缺陷。

26.权利要求22所述的方法，其中所述多个气体吸附剂纳米颗粒的直径为1纳米至250纳米。

27.权利要求22所述的方法，进一步包括采用至少一部分所述气体吸附剂以包含钯、铂、氧化钙、氧化镁、沙仑镁、沙仑钴和/或渗透性有机聚合物中的一种或多种。

28.权利要求22所述的方法，其中，将所述石墨烯层的所述表面处的所述气体吸附剂定位于基本处于所述多个纳米级孔之间。

29.权利要求22所述的方法，其中，从所述第二气体中选择性地分离所述第一气体的步骤包括以200:1至10^23:1的分离选择性从所述第二气体中分离所述第一气体。

30.权利要求22所述的方法，其中所述第一气体是氦、氖、氩、氙、氪、氡、氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氮氧化物、C1-C4烷烃、硅烷、水或卤酸中的一种。

31.一种制造膜的方法，所述方法包括：

提供被多个纳米级孔穿透的石墨烯层；

通过下列方式中的一种或多种将气体吸附剂与所述石墨烯层的表面接触：从所述气体吸附剂的溶液的电化学沉积；从所述气体吸附剂的溶液的化学沉淀；气体吸附剂纳米颗粒悬浮液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；可溶性气体吸附剂溶液的浸涂、旋涂、接触印刷或喷涂；所述气体吸附剂的原子气相沉积；所述气体吸附剂的原子层沉积；所述气体吸附剂的化学气相沉积；所述气体吸附剂的物理气相沉积；和/或所述气体吸附剂的颗粒的静电沉积；

配置所述石墨烯层的表面处的所述气体吸附剂的形式以使其以包含下列形式中的一种或多种：气体吸附剂的至少一个原子单层；或者多个气体吸附剂纳米颗粒的至少一个层；以及配置所述石墨烯层的表面处的所述气体吸附剂以使其具有1个原子至1微米的厚度，

其中所述多个纳米级孔的每一个的直径为0.1纳米至4纳米，并且

其中所述多个纳米级孔的至少一部分的尺寸基本相同，使得所述石墨烯层整体具有基本均匀的孔径。