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江湖事江湖了——離子精確「裝訂」氧化石墨烯膜可用於離子篩分


中科院之聲石墨烯從它獲得諾獎算起,雖然只在江湖上混了沒幾年,卻極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。作為一種只有一個原子層尺度厚的二維新型納米材料,石墨烯真的算是天賦異稟的武學奇才。其中衍生出的,骨骼精奇的層狀堆疊的(氧化)石墨烯膜,因具有超薄、高...

- 2018年1月04日04時26分
- 科學文摘 / 中科院之聲

中科院之聲

石墨烯從它獲得諾獎算起,雖然只在江湖上混了沒幾年,卻極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。作為一種只有一個原子層尺度厚的二維新型納米材料,石墨烯真的算是天賦異稟的武學奇才。其中衍生出的,骨骼精奇的層狀堆疊的(氧化)石墨烯膜,因具有超薄、高水流量、節能等特點,有望在海水的脫鹽和污水凈化、氣體和離子分離、生物傳感、質子導體、鋰電池和超級電容等領域大展拳腳。

顯然,將石墨烯膜中的片層有序化並精確地控制其片層間距離,是其在這些應用中的關鍵。然而,對於像紙一樣的單原子尺度厚的石墨烯納米片,要操控它非常難。尤其是在溶液環境下,它總是難以經受水的萬種柔情,被水分子快速滲透、溶脹、甚至溶化在水的溫柔鄉里,最終忘了初心。人們曾經希望通過納米技術將石墨烯片塑封在環氧樹脂中,但這樣的物理塑封要精確到一納米的尺度,困難可想而知;人們還試圖在石墨烯片層間修飾小分子,但通過小分子修飾控制的層間距,來截留、篩選小得多的離子依然是難以如願。特別是,不同水合離子直徑的差異在一埃左右,比如鈣和鎂、鉀和鈉離子的混合溶液,更是無法進行有效篩選分離。江湖事需江湖了,離子的篩選可以離子自己來解決!

事實上,雖然離子和氧化石墨烯膜的恩怨只有幾年,但是離子和芳環結構(石墨烯的主要結構)的曖昧是素來已久。芳環結構富含π電子,但直到上世紀80年代人們才發現,離子與中性芳環結構之間存在離子-π吸附作用,並在生物等領域得到了一些應用。然而水環境下水合離子與芳環結構之間的情愫(水合離子-π吸附作用)一直被忽略,主要原因在於:(1)由於水的屏蔽效應,離子與芳環結構的吸附作用會明顯減弱;(2)缺失相應的計算方法,特別是缺少包含離子-π作用的經典力場用於經典分子動力學模擬。

2008年,中國科學院上海應用物理研究所方海平團隊認為水合離子-π並不能簡單被忽略,特別是對石墨烯、碳納米管、石墨等具有許多苯環的表面,他們開展了研究並發展了相應的計算方法。當然,一開始大家很可能不相信水合離子和芳環結構之間的曖昧,所以這個探究工作也可以說是十年的積累了。最近,方海平團隊聯合上海大學吳明紅團隊、南京工業大學金萬勤團隊和浙江農林大學學者,基於較強的水合離子-π吸附作用,將上下兩片氧化石墨烯片牢牢「裝訂」在一起。在實驗中,他們成功實現並觀測到石墨烯膜與不同的離子溶液作用後確有特定的層間距,這樣的間距可以小到一納米左右,而不同離子對應的間距差異小於一埃;當石墨烯膜與水合直徑小的離子結合後,具有更大水合直徑的離子就難以進入該膜。因此,通過離子選擇可以實現對石墨烯膜的層間距達一埃的精確「裝訂」。他們還設計製備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯複合膜,從實驗上實現了不同離子間的精確篩分;對於具有最小水合直徑的鉀離子,由於鉀離子的水合層較弱,進入石墨烯膜後水合層發生形變,導致特別小的層間距。這樣,經過鉀離子溶液處理的石墨烯膜能阻止水合鉀離子的進入,有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內的所有離子,並展示了該膜出色的離子篩分性能。

該工作的作者表示,他們只是在實驗室里實現了利用氧化石墨烯膜進行小尺寸離子截留/篩分。但是從實驗室到工業還有非常長的路要走。所以,該工作只是對氧化石墨烯膜在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等研究領域中的重大難題,以及其它二維材料在分離膜領域的研究提供了一點新的思路。

江湖事江湖了——離子精確「裝訂」氧化石墨烯膜可用於離子篩分圖片

離子自身精確「裝訂」氧化石墨烯膜用於離子截留、篩分

江湖事江湖了——離子精確「裝訂」氧化石墨烯膜可用於離子篩分圖片


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