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氧化石墨烯膜離子篩選成功實現

來源:光明科技 2017-10-12 09:46中國投資咨詢網 A-A+

  10月9日,浙江農林大學理學院陳亮博士以第一作者身份,在《自然》雜志上發表了題為《通過陽離子控制層間距實現氧化石墨烯膜的離子篩選》的學術論文。

  該論文提出并實現了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距,展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能,并用理論計算、上海光源的X射線小角散射(BL16B1)和精細吸收譜(BL14W1)實驗闡明了機理。相關研究成果,解決了氧化石墨烯膜在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等前沿研究領域中的重大難題,為其進一步應用提供了重要的理論和實驗基礎。陳亮博士及其研究團隊還將相關研究成果,申請了相應的國際、國內發明專利。

  據介紹,石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化一直面臨巨大挑戰:對像紙一樣的石墨烯納米片,要精確“裝訂”成石墨烯膜,保證其層間距固定并精確到十分之一納米這么小的尺度,非常困難;更具挑戰的是,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。

  陳亮及其團隊的研究工作,證明了離子與石墨烯片層內芳香環結構之間存在水合離子-π相互作用。這種作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層,精確控制了石墨烯膜的層間距,而不同大小的水合離子相當于不同大小的“橋墩”,進而對應于不同的層間距。對于具有最小水合直徑的鉀離子,由于鉀離子的水合層較弱,進入石墨烯膜后水合層發生形變,導致特別小的層間距。

  這樣,經過鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進入,有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內的所有離子,同時還能維持水分子通過,實現一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果。該研究不僅為石墨烯膜的設計制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辟了新思路。

  相關研究工作由中國科學院上海應用物理研究所、上海大學、南京工業大學和浙江農林大學的研究人員發揮各自優勢合作完成,得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部等機構的資助。

關鍵詞:氧化 石墨烯膜 離子 篩選
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