编织坚贞高效的海水淡化膜

 
二元石墨烯布局：  
编织坚贞高效的海水淡化膜  
 

■本报见习记者 池涵

理论计较证明，石墨烯可以应用于海水淡化，制成的单层纳米孔二维薄膜对比传统海水淡化膜具有超高的选择性疏散效率。然而，大面积石墨烯内部存在的晶界会低落石墨烯的机器机能，引入纳米孔的进程将会进一步低落机器机能，导致疏散薄膜容易产生局部割裂，极大地低落疏散效率和疏散选择性。

如何可以或许将薄膜大面积化并维持优异的疏散效率呢？

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》上颁发文章，先容了该课题组建造的石墨烯纳米筛和碳纳米管相团结的二元布局石墨烯薄膜，该薄膜兼具前者的选择性疏散效率和后者的强度优势。

“嫁接”碳纳米管

袁荃汇报《中国科学报》，单原子层厚的纳米多孔二维质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抱负质料。

然而，将超薄二维质料应用于实际海水淡化面对着两浩劫题。首先是如何制备具有优异机器强度和柔性的大面积无缝隙的纳米孔二维薄膜；其次是如安在薄膜内部引入高密度均一孔径漫衍的亚纳米孔，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。

对付第一个困难，袁荃从之前的一些研究事情中相识到，碳纳米管具有优异的机器机能，而且与石墨烯的布局雷同，两者之间可以通过π-π键和范德华力彼此浸染。由碳纳米管搭接形成的碳纳米管薄膜是一种多孔的网络布局（平均孔径300 纳米）的薄膜，不只可以与石墨烯的布局完美匹配，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团结来补充前者的缺陷。

纳米钻孔

文章配合一作杨雁冰博士先容到，他们先在铜箔上发展出一层单层石墨烯，再在上面的一些区域包围彼此连通的碳纳米管网络，将铜箔溶蚀掉之后就获得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漫衍的亚纳米孔，他们在石墨烯外貌发展了一层均一孔径漫衍的介孔氧化硅（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。当刻蚀时间节制在10秒时，孔径为0.63纳米，可以有效答允直径0.32纳米的水分子通过并否决直径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、拉张而不发生明明缝隙，测试和计较功效显示，新的薄膜能遭受380.6MPa应力，杨氏模量到达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。它的过滤机能又如何呢？

文章配合一作杨向东博士先容，10秒刻蚀的石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜渗透率可以到达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，抗污染本领更强，并且由于不受内部浓差极化效应制约，薄膜在高浓度盐情况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

杨雁冰汇报记者，今朝的石墨烯海水淡化膜分为两类，一类是以麻省理工学院传授Rohit Karnik团队为代表所研究的单原子层厚的纳米多孔薄膜。可是，单原子层厚的石墨烯机器强度较弱，所以尝试研究顶用到的石墨烯都用了聚合物膜支撑，而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，孔径漫衍范畴较广，极大地低落了疏散效率，所以无法应用于实际。