石墨烯材料有助于海水淡化

石墨烯材料有助于海水淡化

科學(xué)家們已經(jīng)成功地用二維材料組裝了一個具有最小人工孔的海水淡化裝置，允許大于間隙本身的離子通過，打破了傳統(tǒng)的概念，為制造高通量海水淡化膜鋪平了道路。

曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究所（NGI）的研究人員成功地在一種只有幾個雞蛋（0.1納米）大小的新型隔膜上制造出了小裂縫，這使得研究各種離子如何通過這些小孔成為可能。

這些狹縫由石墨烯、六角氮化硼（HBN）和二硫化鉬（MoS2）組成，令人驚訝的是，這些狹縫允許比自身尺寸大的離子穿透。這種尺寸排除研究有助于更好地了解類似尺寸生物過濾器（如水通道）的工作機(jī)理，并開發(fā)用于海水處理的高通量過濾器。環(huán)境和相關(guān)技術(shù)。

對于對流體及其過濾行為感興趣的科學(xué)家來說，可控制造靠近小離子和單個水分子的毛細(xì)血管是一個終極目標(biāo)，但似乎遙不可及。

研究人員一直試圖模擬自然產(chǎn)生的離子傳輸系統(tǒng)，但事實(shí)證明這很困難。不幸的是，由標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和常規(guī)材料制成的通道受到材料表面固有粗糙度的限制，通常比小離子的水化直徑大至少10倍。

今年早些時候，NGI開發(fā)了石墨烯氧化物衍生膜，引起了廣泛關(guān)注，是新過濾技術(shù)的潛在參與者。這項(xiàng)研究利用新工具2D材料，展示了從鹽水中提供清潔飲用水的現(xiàn)實(shí)前景。

為了更好地理解離子傳輸背后的基本機(jī)制，曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆爵士領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊(duì)制造了原子大小的平縫，只有幾個雞蛋大小。這些通道具有化學(xué)惰性，平均壁厚為電子尺度。

研究人員在兩塊100納米厚的石墨晶體板上制作了狹縫器件，通過削削大石墨晶體獲得狹縫器件，然后在第一塊板上放置另一塊板之前，在石墨晶體板的每一邊緣放置一塊由雙石墨烯和單MoS2組成的二維原子晶體矩形板。這樣，就得到了墊片厚度的間隙。

蓋姆解釋說，這就像拿一本書，在每一個邊緣放上兩個火柴，然后再放一本書，這在書的表面之間形成了一個間隙，高度等于火柴的厚度。在我們的例子中，這些書是原子水平的石墨晶體，火柴是石墨烯或MoS2單層。

這種裝置是由范德華力組合而成的，狹縫的大小與水通道蛋白的直徑大致相同，水通道蛋白對生物體至關(guān)重要。狹縫是最小的可能尺寸，因?yàn)閹в休^薄間隔物的狹縫是不穩(wěn)定的，可能由于相對壁之間的吸引力而坍塌。

當(dāng)離子浸入離子溶液中時，如果施加電壓，離子將流過狹縫，電流將由離子電流形成。研究小組通過狹縫測量離子導(dǎo)電率，發(fā)現(xiàn)在外加電場的作用下，離子可以以預(yù)期的方式通過狹縫。

博士后研究員GopiKalon博士解釋說，當(dāng)我們仔細(xì)觀察時，我們發(fā)現(xiàn)較大的離子比較小的離子（如氯化鉀）移動得慢得多。

第一作者Ali Esfandiar博士補(bǔ)充說，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大于狹縫尺寸的離子無法穿透，但我們的結(jié)果表明，這一解釋過于簡單。事實(shí)上，離子的行為就像軟網(wǎng)球，而不是硬臺球，因此大離子仍然可以通過——扭曲其水合層或脫落完全折邊。

這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的新研究表明，這些新觀察到的機(jī)制在使用尺寸排除法的脫鹽過程中起著關(guān)鍵作用，并且是朝著生產(chǎn)高通量水脫鹽膜邁出的關(guān)鍵一步。

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