作者:崔雪芹 陈胜伟 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/11 20:43:42
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中国科学家成功实现氧化石墨烯膜的离子筛选

 

10月9日,浙江农林大学理学院陈亮博士以第一作者身份,在《自然》杂志上发表了题为《通过阳离子控制层间距实现氧化石墨烯膜的离子筛选》的学术论文。

该论文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。相关研究成果,解决了氧化石墨烯膜在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等前沿研究领域中的重大难题,为其进一步应用提供了重要的理论和实验基础。陈亮博士及其研究团队还将相关研究成果,申请了相应的国际、国内发明专利。

据介绍,石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化一直面临巨大挑战: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,非常困难;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。

陈亮及其团队的研究工作,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。这种作用像“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。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。 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。

相关研究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、科技部等机构的资助。

 
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