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我国在氧化石墨烯薄膜淡化海水领域获突破

2017-10-17 17:01:23

继石墨烯之父、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆(Andre Geim)团队探索控制氧化石墨烯薄膜的孔径大小淡化海水后,日前中国科学家在该领域也获得新突破。

10月9日,国际学术期刊《Nature》在线刊登了题目为“通过阳离子控制氧化石墨烯薄膜层间距实现离子筛分”(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究论文。该研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距,展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。该研究来自中国科学院上海应用物理研究所研究院方海平、李景烨,以及上海大学的吴明红团队、南京工业大学金万勤团队等。

海水淡化示意图

石墨烯因具有优良的光、电、力学等性能,被称为“新材料之王”、“超级材料”等。2004年,海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功地从石墨中分离出石墨烯,证实石墨烯可单独存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

氧化石墨烯是石墨烯的衍生物,其能够在实验室通过简单的氧化生产出来。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。

据了解,精确控制(氧化)石墨烯膜的层间距在环境、能源材料等领域具有重要意义,尤其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用领域中起到关键作用。对于(氧化)石墨烯纳米片,要实现其层间距固定并精确到1/10纳米这么小的尺度,其困难可想而知,更具挑战的是,(氧化)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。一直以来,研究者们利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍难以如愿。

海姆在“第四届中国国际石墨烯创新大会”上曾称,氧化石墨烯氧化物分层取得进展后,现在可得到100纳米的厚度,形成氧化石墨烯膜。该研究成果已于今年4月发表在国际学术杂志《Nature Nanotechnology》上。彼时的实验证实,用他们的方法能够使氧化石墨烯薄膜对氯化钠的离子的过滤率高达97%,这意味着该膜系统能够很好地进行过滤常见的盐离子。

据上海大学网站消息,中国科学家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,同时利用上海光源的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(氧化)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(氧化)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。

通过实验成功实现并观测到(氧化)石墨烯膜与不同的离子溶液作用后具有特定的层间距,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1/10纳米;当(氧化)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(氧化)石墨烯膜的层间距达1/10纳米的精确控制。此外,通过系列水合离子控制的多(氧化)石墨烯复合膜,从实验上实现了不同离子间的精确筛分。

该研究不仅为石墨烯膜的设计制备提供了理论与技术指导,也为其他二维材料在分离膜领域的研究开辟了新思路。

海姆曾表示,“把氧化石墨烯的薄膜应用到海水淡化当中,我认为这是一个可以实现商业化的例子。在未来海水淡化中,由于使用了氧化石墨烯,我认为它的成本将会越来越低,所以这将会是一个非常好的商业化的例子。”不过,如何在工业上大规模地、廉价地生产稳定的氧化石墨烯薄膜系统,而且还能有效抵抗有机物、盐、和生物材料的腐蚀等,可能还面临一定的挑战。△ (王 灿)

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