作者:池涵 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/4 9:39:53
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二元石墨烯结构:
编织结实高效的海水淡化膜

 

■本报见习记者 池涵

理论计算证明,石墨烯可以应用于海水淡化,制成的单层纳米孔二维薄膜相比传统海水淡化膜具有超高的选择性分离效率。然而,大面积石墨烯内部存在的晶界会降低石墨烯的机械性能,引入纳米孔的过程将会进一步降低机械性能,导致分离薄膜容易发生局部破裂,极大地降低分离效率和分离选择性。

如何能够将薄膜大面积化并维持优异的分离效率呢?

日前,武汉大学/湖南大学袁荃和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋等人在《科学》上发表文章,介绍了该课题组制作的石墨烯纳米筛和碳纳米管相结合的二元结构石墨烯薄膜,该薄膜兼具前者的选择性分离效率和后者的强度优势。

“嫁接”碳纳米管

袁荃告诉《中国科学报》,单原子层厚的纳米多孔二维材料具有最小的水传输阻力和最大的水渗透流量,是构建超薄高效海水淡化膜的理想材料。

然而,将超薄二维材料应用于实际海水淡化面临着两大难题。首先是如何制备具有优异机械强度和柔性的大面积无裂缝的纳米孔二维薄膜;其次是如何在薄膜内部引入高密度均一孔径分布的亚纳米孔,实现水分子的高效选择性通过和盐离子/有机分子的有效截留。

对于第一个难题,袁荃从之前的一些研究工作中了解到,碳纳米管具有优异的机械性能,并且与石墨烯的结构类似,两者之间可以通过π-π键和范德华力相互作用。由碳纳米管搭接形成的碳纳米管薄膜是一种多孔的网络结构(平均孔径300 纳米)的薄膜,不仅可以与石墨烯的结构完美匹配,也不会影响水渗透率。

因此,袁荃团队想到将纳米孔石墨烯与碳纳米管结合来弥补前者的缺陷。

纳米钻孔

文章共同一作杨雁冰博士介绍到,他们先在铜箔上生长出一层单层石墨烯,再在上面的一些区域覆盖相互连通的碳纳米管网络,将铜箔溶蚀掉之后就得到了一张碳纳米管支撑的石墨烯薄膜。

为取得高密度均一孔径分布的亚纳米孔,他们在石墨烯表面生长了一层均一孔径分布的介孔氧化硅(平均孔径2纳米)作为掩模板,用氧等离子体刻蚀去掉介孔氧化硅孔径内的石墨烯。氧等离子体刻蚀时间越长,刻蚀掉的石墨烯越多,石墨烯的孔径也就越大,这样就可以通过调控氧等离子体刻蚀的时间来调控石墨烯纳米筛的孔径。当刻蚀时间控制在10秒时,孔径为0.63纳米,可以有效允许直径0.32纳米的水分子通过并阻挡直径0.7纳米的盐离子。

这种薄膜可以不经聚合物支撑悬空、弯曲、拉张而不产生明显裂缝,测试和计算结果显示,新的薄膜能承受380.6MPa应力,杨氏模量达到9.7GPa,这3倍于碳纳米管薄膜,相当于纳米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸刚度和10000倍的弯曲刚度。

于是,他们做出了一张又大又强韧的石墨烯介孔薄膜。它的过滤性能又如何呢?

文章共同一作杨向东博士介绍,10秒刻蚀的石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜渗透率可以达到20.6升每平米每小时每大气压,24小时渗透之后盐离子截留率大于97%。相对商用的三乙酸纤维素淡化膜,新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜的水渗透率提高了100倍,抗污染能力更强,而且由于不受内部浓差极化效应制约,薄膜在高浓度盐环境下仍然可以保持较高的水渗透率。

进击中的石墨烯海水淡化膜

杨雁冰告诉记者,目前的石墨烯海水淡化膜分为两类,一类是以麻省理工学院教授Rohit Karnik团队为代表所研究的单原子层厚的纳米多孔薄膜。但是,单原子层厚的石墨烯机械强度较弱,所以实验研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撑,并且直接通过高能电子束轰击或氧等离子体刻蚀在石墨烯内部引入亚纳米孔,孔径分布范围较广,极大地降低了分离效率,所以无法应用于实际。

另外一类是诺贝尔物理学奖得主、曼彻斯特大学教授Andre Geim团队研究的氧化石墨烯膜。氧化石墨烯容易量产,但是氧化石墨烯膜浸润在溶液中之后,氧化石墨烯片层之间会吸水扩大层间距,降低了海水淡化效率,因此现有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片层之间的层间距。

袁荃等这次制成的新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜不需要聚合物支撑就结实耐用,并兼具多种渗透效率优点,为石墨烯应用于海水淡化打开了一条新的思路。若解决量产问题,未来人们或将能喝上“石墨烯淡化水”。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aau5321

《中国科学报》 (2019-07-04 第4版 综合)
 
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