石墨烯之父:氧化石墨烯薄膜用於淡化海水已具備商業化條件

2020-12-03 澎湃新聞

石墨烯之父：氧化石墨烯薄膜用於淡化海水已具備商業化條件

澎湃新聞記者 王燦

2017-09-26 18:47 來源：澎湃新聞

「把氧化石墨烯的薄膜應用到海水淡化當中，我認為這是一個可以實現商業化的例子。在未來海水淡化中，由於使用了氧化石墨烯，我認為它的成本將會越來越低，所以這將會是一個非常好的商業化的例子。」石墨烯之父、2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆（Andre Geim）表示。

海姆是在9月24日於江蘇南京舉辦的「第四屆中國國際石墨烯創新大會」上作出上述表述的。第四屆中國國際石墨烯創新大會由中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟（CGIA）和南京市人民政府聯合主辦，南京開發區、北京現代華清材料科技發展中心、上海際烯石墨烯科技有限公司、南京市貿促會承辦。

海姆是英國曼徹斯特大學科學家，被稱為是「石墨烯之父」。2004年，海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）成功地從石墨中分離出石墨烯，證實石墨烯可單獨存在。兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯因具有優良的光、電、力學等性能，石墨烯被稱為「新材料之王」、「超級材料」等。氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其能夠在實驗室通過簡單的氧化生產出來。考慮到氧化石墨烯的靈活性和成本，氧化石墨烯比單層石墨烯更具有潛在優勢。

海姆在大會上表示，氧化石墨烯氧化物分層取得進展後，現在可得到100納米的厚度，形成石墨烯氧化膜。

海姆稱，實驗表明，不管是哪一種海水，經過氧化石墨烯薄膜時，水流速度都非常快，且可以非常精確地把鹽份都過濾出來。氧化石墨烯薄膜應用在海水淡化中時，只要進行一定的加壓，過濾出來的海水甚至可以直接飲用。「如在水流速度保持0.5升/平方米的情況下，薄膜對於氯化鈉的過濾度高達97%，這是一個非常令人滿意的實驗結果。」

事實上，這也是海姆團隊的最近的研究成果，該研究成果已於今年4月發表在國際學術雜誌《Nature Nanotechnology》上。海姆研究團隊找到了一種方法能夠精確控制氧化石墨烯薄膜的孔徑大小，這能夠有效地阻擋不需要的離子。實驗證實，用他們的方法能夠使氧化石墨烯薄膜對氯化鈉的離子的過濾率高達97%，這意味著該膜系統能夠很好地進行過濾常見的鹽離子。

海姆稱，相較於目前海水淡化的工藝來說，氧化石墨烯薄膜的應用成本大大降低。「氧化石墨烯薄膜的應用，我認為已經是準備好實現商業化了。」

海姆還表示，「我們可以設想一下，未來我們能不能生產出可攜帶、易攜帶的淡化海水的設備呢？比如說我們把海水放到設備裡面，拿到這個小的設備來進行過濾，變成一個飲用水，這是一個非常好的發展方向，也許未來我們可以製備出這種可攜式的海水淡化設備。」

對於石墨烯有可能在哪個領域商業化應用，海姆提到了核工業領域。

海姆稱，「這個行業是數十億美金的產業」。氚是在核反應堆中的一個重要的汙染因素，目前還找不到去除氚這種汙染源的有效方法，對核工業造成很大的困擾。

對於氫核聚變而言，氫的同位素——氘（又稱重氫）是用作熱核反應的重要能源，在分析和化學追蹤技術中也被廣泛使用。氘的氧化物即重水，在鈾核裂變中可做為減速劑，由此在核電站運行中需要成千上萬噸重水。氚是氫最重的同位素，其原子含有1個質子和兩個中子，具有放射性，在核裂變工廠作為發電副產品須被安全去除。

海姆的研究團隊發現，採用石墨烯制膜濾出不同的氫同位素——氘和氚，大大簡化重水的生產過程，並有助於清理核廢料，有望製備節能、高效和價廉的理想過濾器。該團隊曾測試了氘的原子核，可以通過石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。

該團隊還發現，氘不僅能夠被一個原子厚的膜有效篩選分離，而且這一過程效率很高。這一發現使得單層石墨烯和氮化硼作為分離膜，對氘和氚混合物進行分離具有應用價值。該研究成果已於2016年初在國際期刊Science雜誌上發表。

海姆在大會上稱，目前通過CVD（化學氣相澱積）方法製備的石墨烯質量不錯，但還是存在一些瑕疵。針對目前多種多樣的「石墨烯」產品，海姆也強調稱，「還有一點，我們需要記得的就是，我們不可能用石墨烯解決所有的問題。」

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