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- 发布时间2017-10-13 18:15
- 发布人 集团
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离子精确“装订”石墨烯膜可用于离子筛分和海水淡化
精确控制（氧化）石墨烯膜的层间距，达到十分之一纳米精度，是其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用的关键。
2017年10月10日消息，中国科学院上海应用物理研究所方海平团队、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队和浙江农林大学学者多方合作，提出并实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距，展示了其出色的离子筛分和海水淡化性能，并用理论计算、上海光源的X射线小角散射（BL16B1）和精细吸收谱（BL14W1）实验阐明了机理。相关论文发表在Nature（DOI:10.1038/nature24044）上。
对像纸一样的石墨烯纳米片，要精确“装订”成石墨烯膜，保证其层间距固定并精确到十分之一纳米这么小的尺度，其困难可想而知。更具挑战的是，石墨烯膜在水溶液中还会发生溶胀导致分离性能严重衰减。研究者曾经利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍不能如愿。
方海平团队在水合离子与芳香环结构上π电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）的基础上，提出了溶液中离子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的层间距，并进行了相应的理论模拟计算加以验证。他们还利用上海光源的X射线小角散射（BL16B1）、精细吸收谱（BL14W1）以及紫外等表征手段证明了离子与石墨烯片层内芳香环结构之间存在水合离子-π相互作用。这样的作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层，精确控制了石墨烯膜的层间距，而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”，进而对应于不同的层间距。
吴明红团队在方海平等协助下，通过实验成功实现并观测到石墨烯膜与不同的离子溶液作用后确有特定的层间距，这样的间距可以小到一纳米左右，而不同离子对应的间距差异小于十分之一纳米；当石墨烯膜与水合直径小的离子溶液结合后，具有更大水合直径的离子就难以进入石墨烯膜。因此，通过离子选择可以实现对石墨烯膜的层间距达十分之一纳米的精确控制。
金万勤团队在方海平团队理论模型的基础上，设计制备了一系列水合离子控制的多孔陶瓷支撑的石墨烯复合膜，从实验上实现了不同离子间的精确筛分；对于具有最小水合直径的钾离子，由于钾离子的水合层较弱，进入石墨烯膜后水合层发生形变，导致特别小的层间距。这样，经过钾离子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合钾离子自身的进入，有效截留盐溶液中包括钾离子本身在内的所有离子，同时还能维持水分子通过，实现一边是离子溶液一边是纯水的水处理效果。研究团队还申请了相应的国内和PCT专利。
这些工作由中国科学院上海应用物理研究所、上海大学、南京工业大学和浙江农林大学的研究人员发挥各自优势合作完成，得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、上海光源以及上海超算中心、中国科学院北京超算中心和广州超算中心的资助。（水科学研究室 供稿）
美日合作研发出石墨烯海水淡化膜
【据宾夕法尼亚州立大学网站2017年8月30日报道】美国宾夕法尼亚州立大学原子中心主任与日本信州大学的研究人员合作，开发出一种基于石墨烯的脱盐膜，比目前的各种过滤膜更坚固耐用、效率更高。这一技术未来可用于海水淡化、蛋白质分离、废水处理，以及制药和食品工业等。
“我们的梦想是研制一种智能膜，具有高通量、高效率、长寿命、自修复等特点，可为缺水地区消除水体中的生物污染和无机污染、获取清洁水提供解决方案”，宾夕法尼亚州立大学物理化学与材料科学工程教授毛里西奥·特罗内斯（Mauricio Terrones）介绍说，“这项研究工作正朝着这个方向前进”。
本研究开发的杂化膜采用简单的喷涂技术将溶液中的氧化石墨烯和少量层状石墨烯包覆在聚乙烯醇改性聚砜的骨架支撑膜上。支撑膜增强了杂化膜的牢固性，使其能够承受强烈的横流、高压和氯接触。尽管目前该技术还处于开发的早期阶段，膜样品已可过滤掉85%的盐，制取的水虽还不能直接饮用，但已可用于农业灌溉。研制的膜还能够过滤掉96%的染料分子，因此可以用于纺织工业的废水处理，防止废水直接排放到河流中污染环境。
氯通常用于降解废水中的生物活性成分，但它也会使目前的各种聚合物膜的性能迅速降低。而这种基于石墨烯的新型膜具有很强的抗氯能力。
众所周知，石墨烯具有很高的机械强度，多孔石墨烯具有很强的过滤能力，几乎可以100%过滤掉水中的盐分，是一种潜在的理想的脱盐膜材料。然而，将石墨烯扩展到工业量方面还有许多挑战，包括控制缺陷和处理二维材料需要复杂转移技术等。研究团队正在试图克服可伸缩性问题，并在生产规模上提供廉价、高质量的膜。
这项成果发表在8月28日出版的《自然·纳米技术》杂志上。论文第一作者亚伦·莫雷洛斯·戈麦斯（Aaron Morelos Gomez）说：“我们研制的过滤膜克服了氧化石墨烯的水溶性问题，用聚乙烯醇作为粘合剂，使它能抵抗强烈的水流和高压冲击。通过将氧化石墨烯与石墨烯混合，我们还可以显著提高其耐腐蚀性化学制剂（如氯）的腐蚀。”
“石墨烯之父”领衔突破海水淡化技术，或将极大缓解全球淡水资源短缺
地球71%的面积被水覆盖，但全部水资源只有0.01%能供人类直接使用。据统计，世界上有6.63亿人住在没有饮用水供给的地区，很多人需要跋涉好几个小时才能获取干净水源。
非洲有1/3人口缺乏饮用水，近半数人口因饮用不洁净水而染病。为了解决水资源短缺的问题，一些沿海国家都纷纷开始开发海水淡化系统。但众多缺水的发展中国家根本无法负担由此带来的巨额成本。
现在，这些问题的解决有了新的曙光。今天 DT 君要介绍的，就是一种低成本的能够高效淡化海水的科技——氧化石墨烯薄膜过滤技术。这项最新研究成果发表在了《Nature Nanotechnology》上。
这项新技术诞生于世界顶尖的石墨烯科研机构——曼彻斯特大学“国家石墨烯研究所”。该研究所已经出过一位诺贝尔奖得主——那就是大名鼎鼎的“石墨烯之父”安德烈·海姆（Andre Geim）。
石墨烯是碳的同素异形体，也是目前世界上最薄（约为头发丝的二十万分之一）、强度最大（最大强度钢的 200 多倍）、质量最轻、导电和导热性最好、透光性（白光透光率可达97.7%）和电子传输性最优异（电子在石墨烯中传输速度是在硅中传输速度的数百倍）的新型材料。因此，石墨烯几乎在每个行业都有潜在的应用前景。
然而，石墨烯在名声大噪后，并没有很快进入人们的日常生活。真正限制石墨烯大量使用的是其难以工业化的大规模生产。一方面，使用诸如化学气相沉积（CVD）的方法很难生产出大量的单层、性能优异的石墨烯；另一方面，生产成本又太高。
然而，石墨烯的衍生物——氧化石墨烯——能够在实验室通过简单的氧化生产出来。在墨水或一些溶液中，科学家们利用某些基底材料或多孔材料来合成氧化石墨烯，然后再将其用于膜系统。考虑到氧化石墨烯的灵活性和成本，氧化石墨烯比单层石墨烯更具有潜在优势。
总之，氧化石墨烯薄膜的独特性质使其成为过滤或脱盐领域的最佳候选膜。曼彻斯特大学的科学家们现在已经展示了如何将氧化石墨烯薄膜用于高效的过滤系统，海水淡化取得了实质性的重大突破。
该研究团队表示，这种膜不仅能用于脱盐，而且可调谐其孔径以过滤更多类型离子。孔径均匀的可伸缩膜如果能达到原子级别的孔径，这将是一个重大突破，这将为提高海水淡化技术的效率打开一扇新的大门。
其实，这并不是氧化石墨烯薄膜的首次“精彩亮相”。在此之前，这种材料已经在分离气体和过滤离子等领域取得了很大的进步。
之前，曼彻斯特大学的一项研究表明，氧化石墨烯薄膜浸入到水中，它们会发生一些变形，使薄膜的孔径变大，因此体积较小的离子就会随着水流穿过薄膜，而体积较大的离子或分子会被阻隔，这就起了一定程度的过滤作用。
而现在，曼彻斯特大学研究团队的最新研究成果显示，这些氧化石墨烯薄膜得到了进一步优化，避免了在水流过薄膜时造成的孔径扩张。
最重要的是，这次他们能够精确控制氧化石墨烯薄膜的孔径大小，这就能够有效地阻挡不需要的离子。使用这种石墨烯薄膜过滤后的水能够饮用，且更安全。
面临的问题和挑战
毫无疑问，这次的成果具有重大的现实意义。一方面，按照联合国的“持续发展目标”，到 2030 年，世界上的每个人都能得到基本的淡水资源，然而目前形势并不乐观。
另一方面，气候变化也正在将人们置于水安全威胁的边缘，干旱、洪水、冰川融化都会导致淡水资源的短缺。长期下去，这些因素又会进一步影响粮食生产、医疗卫生、能源与工业。淡水资源的匮乏已经给人类带来了不容忽视的威胁。
联合国预测，到达 2025 年，世界上将有 14%的人口面临着缺水的威胁。这项技术有望革新全世界范围内的过滤水技术，特别是对于那些不能承担起建立大规模脱盐工厂的国家极为有利。
根据这项研究成果，人们可以按需设计氧化石墨烯薄膜的孔径，以实现“按需过滤”。地球上有充足的水资源，海洋就是我们充足的水资源库，如果我们能够大规模制造这种薄膜系统用于海水淡化，淡水危机就能很好地解决。
目前，许多发达国家都在加大投资海水淡化技术，因此该技术也正处于发展的关键期。
然而，这种石墨烯薄膜系统要具有商业可行性还可能需要一段时间。这些研究人员的终极目标是构建一个高效的过滤工业废水和海水的净化装置。主要面临的挑战有如下三点：
第一，在工业上，要大规模地、廉价地生产稳定的、可持续在恶劣环境中工作的氧化石墨烯薄膜系统还必须考虑到该薄膜系统如何抗有机物、盐、和生物材料的腐蚀;
第二，研究人员如何大规模地生产这种氧化石墨烯薄膜，并且具有广泛的工业应用价值也是他们面临的一项的巨大挑战;
第三，石墨烯薄膜的生产过程中不可避免地会产生缺陷，如造成薄膜上不均匀的孔洞，这些孔洞对过滤和分离极其不利。
资料来源：石墨烯资讯编辑整理，转载请注明出处。
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