中國(guó)粉體網(wǎng)訊  繼石墨烯之父、2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·海姆（Andre Geim）團(tuán)隊(duì)探索控制氧化石墨烯薄膜的孔徑大小淡化海水后，日前中國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域也獲得新突破。

10月9日，國(guó)際學(xué)術(shù)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(shí)現(xiàn)離子篩分”（“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”）的研究論文。該研究提出并實(shí)現(xiàn)了通過水合離子精確控制石墨烯膜的層間距，展示出優(yōu)異的離子篩分和海水淡化性能。該研究來自中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究院方海平、李景燁，以及上海大學(xué)的吳明紅團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)金萬勤團(tuán)隊(duì)等。

海水淡化示意圖

石墨烯因具有優(yōu)良的光、電、力學(xué)等性能，被稱為“新材料之王”、“超級(jí)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(shí)石墨烯可單獨(dú)存在。兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其能夠在實(shí)驗(yàn)室通過簡(jiǎn)單的氧化生產(chǎn)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(yōu)勢(shì)。

據(jù)了解，精確控制（氧化）石墨烯膜的層間距在環(huán)境、能源材料等領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域中起到關(guān)鍵作用。對(duì)于（氧化）石墨烯納米片，要實(shí)現(xiàn)其層間距固定并精確到1/10納米這么小的尺度，其困難可想而知，更具挑戰(zhàn)的是，（氧化）石墨烯膜在水溶液中還會(huì)發(fā)生溶脹導(dǎo)致分離性能嚴(yán)重衰減。一直以來，研究者們利用納米技術(shù)操控、膜間修飾小分子等技術(shù)做了諸多努力但仍難以如愿。

海姆在“第四屆中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)”上曾稱，氧化石墨烯氧化物分層取得進(jìn)展后，現(xiàn)在可得到100納米的厚度，形成氧化石墨烯膜。該研究成果已于今年4月發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)雜志《Nature Nanotechnology》上。彼時(shí)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，用他們的方法能夠使氧化石墨烯薄膜對(duì)氯化鈉的離子的過濾率高達(dá)97%，這意味著該膜系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行過濾常見的鹽離子。

據(jù)上海大學(xué)網(wǎng)站消息，中國(guó)科學(xué)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，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論模擬計(jì)算加以驗(yàn)證，同時(shí)利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細(xì)吸收譜（BL14W1）以及紫外等表征手段證明了離子與（氧化）石墨烯片層內(nèi)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)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(dāng)于不同大小的“橋墩”，進(jìn)而對(duì)應(yīng)于不同的層間距。

通過實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到（氧化）石墨烯膜與不同的離子溶液作用后具有特定的層間距，這樣的間距可以小到一納米左右，而不同離子對(duì)應(yīng)的間距差異小于1/10納米；當(dāng)（氧化）石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結(jié)合后，具有更大水合直徑的離子就難以進(jìn)入石墨烯膜。因此，通過離子選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)（氧化）石墨烯膜的層間距達(dá)1/10納米的精確控制。此外，通過系列水合離子控制的多（氧化）石墨烯復(fù)合膜，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了不同離子間的精確篩分。

該研究不僅為石墨烯膜的設(shè)計(jì)制備提供了理論與技術(shù)指導(dǎo)，也為其他二維材料在分離膜領(lǐng)域的研究開辟了新思路。

海姆曾表示，“把氧化石墨烯的薄膜應(yīng)用到海水淡化當(dāng)中，我認(rèn)為這是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的例子。在未來海水淡化中，由于使用了氧化石墨烯，我認(rèn)為它的成本將會(huì)越來越低，所以這將會(huì)是一個(gè)非常好的商業(yè)化的例子�！辈贿^，如何在工業(yè)上大規(guī)模地、廉價(jià)地生產(chǎn)穩(wěn)定的氧化石墨烯薄膜系統(tǒng)，而且還能有效抵抗有機(jī)物、鹽、和生物材料的腐蝕等，可能還面臨一定的挑戰(zhàn)。