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- 發(fā)布時間2017-10-13 18:15
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離子精確“裝訂”石墨烯膜可用于離子篩分和海水淡化
精確控制（氧化）石墨烯膜的層間距，達到十分之一納米精度，是其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應用的關鍵。
2017年10月10日消息，中國科學院上海應用物理研究所方海平團隊、上海大學吳明紅團隊、南京工業(yè)大學金萬勤團隊和浙江農(nóng)林大學學者多方合作，提出并實現(xiàn)了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距，展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能，并用理論計算、上海光源的X射線小角散射（BL16B1）和精細吸收譜（BL14W1）實驗闡明了機理。相關論文發(fā)表在Nature（DOI:10.1038/nature24044）上。
對像紙一樣的石墨烯納米片，要精確“裝訂”成石墨烯膜，保證其層間距固定并精確到十分之一納米這么小的尺度，其困難可想而知。更具挑戰(zhàn)的是，石墨烯膜在水溶液中還會發(fā)生溶脹導致分離性能嚴重衰減。研究者曾經(jīng)利用納米技術操控、膜間修飾小分子等技術做了諸多努力但仍不能如愿。
方海平團隊在水合離子與芳香環(huán)結構上π電子相互作用的系列工作（Sci. Rep. 2013, 3, 3436; Sci. Rep. 2014, 4, 6793; Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 164502）的基礎上，提出了溶液中離子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的層間距，并進行了相應的理論模擬計算加以驗證。他們還利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細吸收譜（BL14W1）以及紫外等表征手段證明了離子與石墨烯片層內(nèi)芳香環(huán)結構之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層，精確控制了石墨烯膜的層間距，而不同大小的水合離子相當于不同大小的“橋墩”，進而對應于不同的層間距。
吳明紅團隊在方海平等協(xié)助下，通過實驗成功實現(xiàn)并觀測到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后確有特定的層間距，這樣的間距可以小到一納米左右，而不同離子對應的間距差異小于十分之一納米；當石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結合后，具有更大水合直徑的離子就難以進入石墨烯膜。因此，通過離子選擇可以實現(xiàn)對石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制。
金萬勤團隊在方海平團隊理論模型的基礎上，設計制備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯復合膜，從實驗上實現(xiàn)了不同離子間的精確篩分；對于具有最小水合直徑的鉀離子，由于鉀離子的水合層較弱，進入石墨烯膜后水合層發(fā)生形變，導致特別小的層間距。這樣，經(jīng)過鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進入，有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內(nèi)的所有離子，同時還能維持水分子通過，實現(xiàn)一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果。研究團隊還申請了相應的國內(nèi)和PCT專利。
這些工作由中國科學院上海應用物理研究所、上海大學、南京工業(yè)大學和浙江農(nóng)林大學的研究人員發(fā)揮各自優(yōu)勢合作完成，得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部、上海光源以及上海超算中心、中國科學院北京超算中心和廣州超算中心的資助。（水科學研究室 供稿）
美日合作研發(fā)出石墨烯海水淡化膜
【據(jù)賓夕法尼亞州立大學網(wǎng)站2017年8月30日報道】美國賓夕法尼亞州立大學原子中心主任與日本信州大學的研究人員合作，開發(fā)出一種基于石墨烯的脫鹽膜，比目前的各種過濾膜更堅固耐用、效率更高。這一技術未來可用于海水淡化、蛋白質(zhì)分離、廢水處理，以及制藥和食品工業(yè)等。
“我們的夢想是研制一種智能膜，具有高通量、高效率、長壽命、自修復等特點，可為缺水地區(qū)消除水體中的生物污染和無機污染、獲取清潔水提供解決方案”，賓夕法尼亞州立大學物理化學與材料科學工程教授毛里西奧·特羅內(nèi)斯（Mauricio Terrones）介紹說，“這項研究工作正朝著這個方向前進”。
本研究開發(fā)的雜化膜采用簡單的噴涂技術將溶液中的氧化石墨烯和少量層狀石墨烯包覆在聚乙烯醇改性聚砜的骨架支撐膜上。支撐膜增強了雜化膜的牢固性，使其能夠承受強烈的橫流、高壓和氯接觸。盡管目前該技術還處于開發(fā)的早期階段，膜樣品已可過濾掉85%的鹽，制取的水雖還不能直接飲用，但已可用于農(nóng)業(yè)灌溉。研制的膜還能夠過濾掉96%的染料分子，因此可以用于紡織工業(yè)的廢水處理，防止廢水直接排放到河流中污染環(huán)境。
氯通常用于降解廢水中的生物活性成分，但它也會使目前的各種聚合物膜的性能迅速降低。而這種基于石墨烯的新型膜具有很強的抗氯能力。
眾所周知，石墨烯具有很高的機械強度，多孔石墨烯具有很強的過濾能力，幾乎可以100%過濾掉水中的鹽分，是一種潛在的理想的脫鹽膜材料。然而，將石墨烯擴展到工業(yè)量方面還有許多挑戰(zhàn)，包括控制缺陷和處理二維材料需要復雜轉(zhuǎn)移技術等。研究團隊正在試圖克服可伸縮性問題，并在生產(chǎn)規(guī)模上提供廉價、高質(zhì)量的膜。
這項成果發(fā)表在8月28日出版的《自然·納米技術》雜志上。論文第一作者亞倫·莫雷洛斯·戈麥斯（Aaron Morelos Gomez）說：“我們研制的過濾膜克服了氧化石墨烯的水溶性問題，用聚乙烯醇作為粘合劑，使它能抵抗強烈的水流和高壓沖擊。通過將氧化石墨烯與石墨烯混合，我們還可以顯著提高其耐腐蝕性化學制劑（如氯）的腐蝕。”
“石墨烯之父”領銜突破海水淡化技術，或?qū)O大緩解全球淡水資源短缺
地球71%的面積被水覆蓋，但全部水資源只有0.01%能供人類直接使用。據(jù)統(tǒng)計，世界上有6.63億人住在沒有飲用水供給的地區(qū)，很多人需要跋涉好幾個小時才能獲取干凈水源。
非洲有1/3人口缺乏飲用水，近半數(shù)人口因飲用不潔凈水而染病。為了解決水資源短缺的問題，一些沿海國家都紛紛開始開發(fā)海水淡化系統(tǒng)。但眾多缺水的發(fā)展中國家根本無法負擔由此帶來的巨額成本。
現(xiàn)在，這些問題的解決有了新的曙光。今天 DT 君要介紹的，就是一種低成本的能夠高效淡化海水的科技——氧化石墨烯薄膜過濾技術。這項最新研究成果發(fā)表在了《Nature Nanotechnology》上。
這項新技術誕生于世界頂尖的石墨烯科研機構——曼徹斯特大學“國家石墨烯研究所”。該研究所已經(jīng)出過一位諾貝爾獎得主——那就是大名鼎鼎的“石墨烯之父”安德烈·海姆（Andre Geim）。
石墨烯是碳的同素異形體，也是目前世界上最薄（約為頭發(fā)絲的二十萬分之一）、強度最大（最大強度鋼的 200 多倍）、質(zhì)量最輕、導電和導熱性最好、透光性（白光透光率可達97.7%）和電子傳輸性最優(yōu)異（電子在石墨烯中傳輸速度是在硅中傳輸速度的數(shù)百倍）的新型材料。因此，石墨烯幾乎在每個行業(yè)都有潛在的應用前景。
然而，石墨烯在名聲大噪后，并沒有很快進入人們的日常生活。真正限制石墨烯大量使用的是其難以工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。一方面，使用諸如化學氣相沉積（CVD）的方法很難生產(chǎn)出大量的單層、性能優(yōu)異的石墨烯；另一方面，生產(chǎn)成本又太高。
然而，石墨烯的衍生物——氧化石墨烯——能夠在實驗室通過簡單的氧化生產(chǎn)出來。在墨水或一些溶液中，科學家們利用某些基底材料或多孔材料來合成氧化石墨烯，然后再將其用于膜系統(tǒng)。考慮到氧化石墨烯的靈活性和成本，氧化石墨烯比單層石墨烯更具有潛在優(yōu)勢。
總之，氧化石墨烯薄膜的獨特性質(zhì)使其成為過濾或脫鹽領域的最佳候選膜。曼徹斯特大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)展示了如何將氧化石墨烯薄膜用于高效的過濾系統(tǒng)，海水淡化取得了實質(zhì)性的重大突破。
該研究團隊表示，這種膜不僅能用于脫鹽，而且可調(diào)諧其孔徑以過濾更多類型離子。孔徑均勻的可伸縮膜如果能達到原子級別的孔徑，這將是一個重大突破，這將為提高海水淡化技術的效率打開一扇新的大門。
其實，這并不是氧化石墨烯薄膜的首次“精彩亮相”。在此之前，這種材料已經(jīng)在分離氣體和過濾離子等領域取得了很大的進步。
之前，曼徹斯特大學的一項研究表明，氧化石墨烯薄膜浸入到水中，它們會發(fā)生一些變形，使薄膜的孔徑變大，因此體積較小的離子就會隨著水流穿過薄膜，而體積較大的離子或分子會被阻隔，這就起了一定程度的過濾作用。
而現(xiàn)在，曼徹斯特大學研究團隊的最新研究成果顯示，這些氧化石墨烯薄膜得到了進一步優(yōu)化，避免了在水流過薄膜時造成的孔徑擴張。
最重要的是，這次他們能夠精確控制氧化石墨烯薄膜的孔徑大小，這就能夠有效地阻擋不需要的離子。使用這種石墨烯薄膜過濾后的水能夠飲用，且更安全。
面臨的問題和挑戰(zhàn)
毫無疑問，這次的成果具有重大的現(xiàn)實意義。一方面，按照聯(lián)合國的“持續(xù)發(fā)展目標”，到 2030 年，世界上的每個人都能得到基本的淡水資源，然而目前形勢并不樂觀。
另一方面，氣候變化也正在將人們置于水安全威脅的邊緣，干旱、洪水、冰川融化都會導致淡水資源的短缺。長期下去，這些因素又會進一步影響糧食生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、能源與工業(yè)。淡水資源的匱乏已經(jīng)給人類帶來了不容忽視的威脅。
聯(lián)合國預測，到達 2025 年，世界上將有 14%的人口面臨著缺水的威脅。這項技術有望革新全世界范圍內(nèi)的過濾水技術，特別是對于那些不能承擔起建立大規(guī)模脫鹽工廠的國家極為有利。
根據(jù)這項研究成果，人們可以按需設計氧化石墨烯薄膜的孔徑，以實現(xiàn)“按需過濾”。地球上有充足的水資源，海洋就是我們充足的水資源庫，如果我們能夠大規(guī)模制造這種薄膜系統(tǒng)用于海水淡化，淡水危機就能很好地解決。
目前，許多發(fā)達國家都在加大投資海水淡化技術，因此該技術也正處于發(fā)展的關鍵期。
然而，這種石墨烯薄膜系統(tǒng)要具有商業(yè)可行性還可能需要一段時間。這些研究人員的終極目標是構建一個高效的過濾工業(yè)廢水和海水的凈化裝置。主要面臨的挑戰(zhàn)有如下三點：
第一，在工業(yè)上，要大規(guī)模地、廉價地生產(chǎn)穩(wěn)定的、可持續(xù)在惡劣環(huán)境中工作的氧化石墨烯薄膜系統(tǒng)還必須考慮到該薄膜系統(tǒng)如何抗有機物、鹽、和生物材料的腐蝕;
第二，研究人員如何大規(guī)模地生產(chǎn)這種氧化石墨烯薄膜，并且具有廣泛的工業(yè)應用價值也是他們面臨的一項的巨大挑戰(zhàn);
第三，石墨烯薄膜的生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生缺陷，如造成薄膜上不均勻的孔洞，這些孔洞對過濾和分離極其不利。
資料來源：石墨烯資訊編輯整理，轉(zhuǎn)載請注明出處。
