We report selective ionic transport through controlled, high-density, subnanometer diameter pores in macroscopic single-layer graphene membranes. Isolated, reactive defects were first introduced into the graphene lattice through ion bombardment and subsequently enlarged by oxidative etching into permeable pores with diameters of 0.40 ± 0.24 nm and densities exceeding 1012 cm–2, while retaining structural integrity of the graphene. Transport measurements across ion-irradiated graphene membranes subjected to in situ etching revealed that the created pores were cation-selective at short oxidation times, consistent with electrostatic repulsion from negatively charged functional groups terminating the pore edges. At longer oxidation times, the pores allowed transport of salt but prevented the transport of a larger organic molecule, indicative of steric size exclusion. The ability to tune the selectivity of graphene through controlled generation of subnanometer pores addresses a significant challenge in the development of advanced nanoporous graphene membranes for nanofiltration, desalination, gas separation, and other applications.

We report graphene composite membranes with nominal areas more than 25 mm2 fabricated by transfer of a single layer of CVD graphene onto a porous polycarbonate substrate. A combination of pressure-driven and diffusive transport measurements provides evidence of size-selective transport of molecules through the membrane, which is attributed to the low-frequency occurrence of intrinsic 1–15 nm diameter pores in the CVD graphene. Our results present the first step toward the realization of practical membranes that use graphene as the selective material.

We present an investigation of molecular permeation of gases through nanoporous graphene membranes via molecular dynamics simulations; four different gases are investigated, namely helium, hydrogen, nitrogen, and methane. We show that in addition to the direct (gas-kinetic) flux of molecules crossing from the bulk phase on one side of the graphene to the bulk phase on the other side, for gases that adsorb onto the graphene, significant contribution to the flux across the membrane comes from a surface mechanism by which molecules cross after being adsorbed onto the graphene surface. Our results quantify the relative contribution of the bulk and surface mechanisms and show that the direct flux can be described reasonably accurately using kinetic theory, provided the latter is appropriately modified assuming steric molecule-pore interactions, with gas molecules behaving as hard spheres of known kinetic diameters. The surface flux is negligible for gases that do not adsorb onto graphene (e.g., He and H2), while for gases that adsorb (e.g., CH4 and N2) it can be on the order of the direct flux or larger. Our results identify a nanopore geometry that is permeable to hydrogen and helium, is significantly less permeable to nitrogen, and is essentially impermeable to methane, thus validating previous suggestions that nanoporous graphene membranes can be used for gas separation. We also show that molecular permeation is strongly affected by pore functionalization; this observation may be sufficient to explain the large discrepancy between simulated and experimentally measured transport rates through nanoporous graphene membranes.

Gas transport through intrinsic defects and tears is a critical yet poorly understood phenomenon in graphene membranes for gas separation. We report that independent stacking of graphene layers on a porous support exponentially decreases flow through defects. On the basis of experimental results, we develop a gas transport model that elucidates the separate contributions of tears and intrinsic defects on gas leakage through these membranes. The model shows that the pore size of the porous support and its permeance critically affect the separation behavior, and reveals the parameter space where gas separation can be achieved regardless of the presence of nonselective defects, even for single-layer membranes. The results provide a framework for understanding gas transport in graphene membranes and guide the design of practical, selectively permeable graphene membranes for gas separation.

Permeance–selectivity trade-offs are inherent to polymeric membranes. In fuel cells, thinner proton exchange membranes (PEMs) could enable higher proton conductance and increased power density with lower area-specific resistance (ASR), smaller ohmic losses, and lower ionomer cost. However, reducing thickness is accompanied by an increase in undesired species crossover harming performance and long-term efficiency. Here, we show that incorporating atomically thin monolayer graphene synthesized via scalable chemical vapor deposition (CVD) and tunable defect density into PEMs (Nafion, ∼5–25 μm thick) can allow for reduced H2 crossover (∼34–78% of Nafion of a similar thickness) while maintaining adequate areal proton conductance for applications (>4 S cm–2). In contrast to most prior work using >50 μm symmetric Nafion sandwich structures, we elucidate the interplay of graphene defect density and Nafion proton transport resistance on the performance of Nafion|graphene composite membranes and find high-quality low-defect density CVD graphene (G) supported on Nafion 211 (∼25 μm); i.e., N211|G has a high areal proton conductance (∼6.1 S cm–2) and the lowest H2 crossover (∼0.7 mA cm–2). Fully functional centimeter-scale N211|G fuel-cell membranes demonstrate performance comparable to that of state-of-the-art Nafion N211 at room temperature as well as standard operating conditions (∼80 °C, ∼150–250 kPa-abs) with H2/air (power density ∼0.57–0.63 W cm–2) and H2/O2 feed (power density ∼1.4–1.62 W cm–2) and markedly reduced H2 crossover (∼53–57%).