麻省理工研究團隊製備出均勻微孔石墨烯膜可淡化海水

2021-01-16 脫鹽中心

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為了更快、更持久的淨水，科學家們將石墨烯這種超薄超強碳片作成超薄膜來濾除汙染物，快速淨化大量水體。
　　

石墨烯的特殊性能使它成為理想的過濾膜或海水淡化膜。但是該應用中存在一大缺陷：由於將石墨烯製成單層原子超薄膜的過程極為細緻，在製備過程中極有可能會造成材料的破損，從而導致汙染物洩露。而現在，工程師們已經設計出方法來修補這些漏洞。
　　

麻省理工學院、橡樹嶺國家實驗室、法赫德國王石油與礦業大學的工程師們制定了一種利用化學沉積及聚合技術來修補上述漏洞的方法。然後他們利用該團隊之前所研發的技術製備了具有均勻微孔的石墨烯薄膜，這些孔小到僅允許水分子通過。


　

將這兩種技術相結合，研究人員製備出約有一美分大小且無缺陷的石墨烯薄膜。薄膜大小具有重要意義，因為如果是作為濾膜使用的話，石墨烯薄膜必須製成數釐米及以上大小。
　　

在實驗中，研究人員讓水通過已經過缺陷修補和致孔處理過的石墨烯薄膜，結果發現通過該膜的水流速度堪比目前的海水淡化膜，而且該膜能夠過濾大部分的大分子汙染物如硫酸鎂、葡聚糖等。
　　

麻省理工學院機械工程系副教授Rohit Karnik說，該團隊的研究結果表明首次成功封填石墨烯膜的缺陷。上述結果發表在納米快報（NanoLetters）雜誌上。
　　

「至少在實驗室水平上，我們能封堵石墨烯薄膜的缺陷，使其能夠在宏觀尺度上實現分子過濾，而這在之前是無法實現的，」Karnik說。「如果我們控制得當的話，之後甚至無需缺陷修補這一步驟。不過這還無法實現，因為目前不存在完美無缺的石墨烯，總是需要修修補補。這兩個（技術）是製造過濾膜的例子。」
　　

該論文的第一作Sean O'Hern，是麻省理工學院研究生，曾任研究助理。而該校研究生Doojoon Jang，前研究生Suman Bose，教授Jing Kon均對該論文做出貢獻。
　　

巧妙的轉移
　　

「目前用來海水淡化的膜都相當厚，大約200納米左右」，O'Hern說道。「而利用石墨烯薄膜的好處就是，該膜厚度僅為3埃米，比現有膜薄約600倍，在相同面積下這將提高流速。」
　　

在過去的7年時間裡，O'Hern與Karnik一直在探索石墨烯作為濾膜的可能性。在2009年該團隊開始利用石墨烯來製備薄膜，由於金屬銅能支持石墨烯以大範圍生長，故他們所使用的石墨烯是生長在銅上的。但銅是不能透水的，因此還需要將該石墨烯薄膜再轉移到後續製備的多孔基材上。
　　

然而O'Hern觀察到轉移過程會對石墨烯薄膜造成損傷。而且他還發現，石墨烯原料當中的雜質也會使石墨烯在生長過程中產生固有缺陷。
　　

堵漏石墨烯
　　

為了解決上述問題，該團隊提出了一種方法來先解決固有缺陷，再處理轉移過程造成的缺陷。研究人員採用「原子層沉積」技術處理固有缺陷，他們將石墨烯薄膜放在真空室中，在含有鉿氧化物的環境中施以脈衝。通常情況下，鉿氧化物不與石墨烯發生反應。然而一旦石墨烯中存在缺陷，由於缺陷處的高表面能，鉿氧化物就會粘在該處，填補該缺陷。
　　

經過幾輪沉積後，研究人員發現沉積的鉿氧化物成功填補了該石墨烯膜的納米級固有缺陷，但是若利用沉積方法修補轉移過程造成的缺陷，通常這類缺陷是固有缺陷的數百倍，則太耗費時間。
　　

相反，O'Hern與同事想出第二種方法來修補這種缺陷。該方法被稱為「界面聚合法」，通常被用在薄膜合成過程中。在填補了固有缺陷之後，他們將該膜浸沒在兩種溶劑界面處：水浴和與水不互溶的有機溶劑浴。
　　

研究人員將兩種能相互反應生成尼龍的分子分別溶解到以上兩種溶劑中。O'Hern一旦將該石墨烯膜放到溶液界面處，他發現只有在破損處才會形成尼龍。這是因為石墨烯不透水，只有在破損處上述兩種分子才能相互接觸，然後反應生成尼龍，有效封堵該處的缺陷。
　　

採用他們去年研發出的技術——該團隊在石墨烯膜上刻蝕出均勻微孔，該孔能攔截大分子，僅允許水分子通過。他們實驗了幾種含有不同分子的水，其中還包括鹽，結果發現該膜能阻隔90%的大分子。然而，鹽通過該膜的速度要快於水分子。
　　

儘管Karnik認為該石墨烯膜的缺陷封堵技術和滲透率還有待提高，但初步測試表明石墨烯可作為潛在的過濾膜替代物。
　　

「如果進展順利，該技術能經受得住現實世界的不同測試要求的話，該種石墨烯膜將會在海水淡化和納濾領域產生極大影響。」Karnik說，「但是在精細化工或生物樣品處理領域，該膜同樣大有作為。這是首次報導有釐米級可針對各種分子的石墨烯濾膜，這令人十分振奮。」


【2015（第十屆）青島國際脫鹽大會】

2015年6月29-7月2日，青島

十年品牌積累，十年輝煌鑄就


尊敬的各位水業同仁：

青島國際脫鹽大會彈指一揮十年在即，期間中國脫鹽行業經歷了從無到有、從小到大的發展歷程，會議見證了這其中很多重大事件，成就和培養了一批專家學者、企業家和工程師。目前青島國際脫鹽大會已成為中國最大、世界最高端的專業研討和展示水資源開發治理與節約用水解決方案為一體的國際品牌與活動！

今年恰逢中共中央、國務院頒布《關於加快推進生態文明建設的意見》和《水汙染防治行動計劃》（水十條），中央和各級地方政府都在積極貫徹落實文件精神。2015（第十屆）青島國際脫鹽大會將以此為契機，加強水汙染防治開發利用與水生態文明建設的政策、技術及工程經驗交流，將成為世界水處理行業的饕餮盛宴！

會議將有來自全球二十多個國家的頂級專家領袖和企業界代表一千餘人參加各項活動，共謀應對全球水資源危機下的產業商機及發展戰略，歡迎您的參與！

此致敬禮！

郭有智

大會秘書長

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