中國科學家在氧化石墨烯薄膜淡化海水領域獲突破

繼石墨烯之父、2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·海姆（Andre Geim）團隊探索控制氧化石墨烯薄膜的孔徑大小淡化海水後，日前中國科學家在該領域也獲得新突破。

10月9日，國際學術期刊《Nature》在線刊登了題目為「通過陽離子控制氧化石墨烯薄膜層間距實現離子篩分」（「Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing」）的研究論文。該研究提出並實現了通過水合離子精確控制石墨烯膜的層間距，展示出優異的離子篩分和海水淡化性能。該研究來自中國科學院上海應用物理研究所研究院方海平、李景燁、上海大學的吳明紅團隊、南京工業大學金萬勤團隊等人。

海水淡化示意圖

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。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。

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。

據了解，精確控制（氧化）石墨烯膜的層間距在環境、能源材料等領域具有重要意義，尤其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應用領域中起到關鍵作用。對於（氧化）石墨烯納米片，要實現其層間距固定並精確到十分之一納米這麼小的尺度，其困難可想而知，更具挑戰的是，（氧化）石墨烯膜在水溶液中還會發生溶脹導致分離性能嚴重衰減。一直以來，研究者們利用納米技術操控、膜間修飾小分子等技術做了諸多努力但仍難以如願。

海姆在「第四屆中國國際石墨烯創新大會」上曾稱，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，形成氧化石墨烯膜。該研究成果已於今年4月發表在國際學術雜誌《Nature Nanotechnology》上。彼時的實驗證實，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。

據上海大學網站，中國科學家提出了溶液中離子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的層間距，並進行了相應的理論模擬計算加以驗證。同時利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細吸收譜（BL14W1）以及紫外等表徵手段證明了離子與（氧化）石墨烯片層內芳香環結構之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像「橋墩」一樣支撐石墨烯片層，精確控制了（氧化）石墨烯膜的層間距，而不同大小的水合離子相當於不同大小的「橋墩」，進而對應於不同的層間距。

通過實驗成功實現並觀測到（氧化）石墨烯膜與不同的離子溶液作用後具有特定的層間距，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十分之一納米；當（氧化）石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結合後，具有更大水合直徑的離子就難以進入石墨烯膜。因此，通過離子選擇可以實現對（氧化）石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制。此外，通過系列水合離子控制的多（氧化）石墨烯複合膜，從實驗上實現了不同離子間的精確篩分。

該研究不僅為石墨烯膜的設計製備提供了理論與技術指導，也為其他二維材料在分離膜領域的研究開闢了新思路。

海姆曾表示，「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。」不過，如何在工業上大規模地、廉價地生產穩定的氧化石墨烯薄膜系統，而且還能有效抵抗有機物、鹽、和生物材料的腐蝕等，可能還面臨一定的挑戰。

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