二元石墨烯薄膜可高效淡化海水

  纳米孔石墨烯与碳纳米管结合

  中化新网讯 近日,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组成的研究团队,采用石墨烯纳米筛和碳纳米管相结合的方法,制备出二元结构的石墨烯薄膜,兼具有较强的选择性分离效率和一定的机械强度,可应用于海水淡化。

  此前的理论计算证明,相比传统海水淡化膜,石墨烯制成的单层纳米孔二维薄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,降低分离效率和分离选择性。

  研究人员介绍,碳纳米管具有优异的机械性能,并且与石墨烯的结构类似。由碳纳米管搭接形成的碳纳米管薄膜,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,研究团队想到将纳米孔石墨烯与碳纳米管结合来弥补上述缺陷。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。这种薄膜可以不经聚合物支撑,在悬空、弯曲、拉张时不产生明显裂缝。测试和计算结果显示,薄膜能承受380.6MPa应力,杨氏模量达到9.7GPa,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。

  此外,相较于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。

  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科研团队为代表所研究的单原子层厚的纳米多孔薄膜。但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。

  此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”。

关键字:纳米孔石墨烯与碳纳米管
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