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石墨烯材料助力海水淡化

导读: 科学家们已成功利用二维材料组装成了具有最小人造孔的海水脱盐装置,允许直径大于其缝隙本身的离子通过,打破了传统观念,为制造高通量水脱盐膜铺垫了道路。

科学家们已成功利用二维材料组装成了具有最小人造孔的海水脱盐装置,允许直径大于其缝隙本身的离子通过,打破了传统观念,为制造高通量水脱盐膜铺垫了道路。

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曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)的研究人员成功地在一个尺寸仅为几埃(0.1nm)的新型膜片上制造了小尺寸的狭缝。这使得能够研究各种离子究竟如何通过这些微小的孔。

这些狭缝由石墨烯、六方氮化硼(hBN)和二硫化钼(MoS2)制成,并且令人惊奇的是,它允许直径大于其自身尺寸的离子发生渗透。这种尺寸排阻研究有利于更好地了解类似规模的生物过滤器如水通道蛋白的工作机理,从而有助于开发用于海水脱盐和相关技术的高通量过滤器。

对于对流体及其过滤行为感兴趣的科学家来说,可控地制造尺寸接近小离子和单个水分子的毛细管是一个终极但看似遥远的目标。

研究人员一直在试图模拟自然发生的离子运输系统,但事实证明这是不容易的。使用标准技术和常规材料制造的通道不幸受到材料表面固有粗糙度的限制,其尺寸通常比小离子的水合直径大至少十倍。

今年早些时候,NGI开发的石墨烯氧化物衍生膜受到相当大的关注,是新型过滤技术的潜力选手。这项利用新工具2D材料的研究展示了从盐水中提供清洁饮用水的现实世界前景。

为了更好地了解离子运输背后的基本机制,曼彻斯特大学的Andre Geim爵士领导的一个团队制作了原子尺寸的平坦狭缝,尺寸仅为几埃。这些通道是化学惰性的,平均壁厚为埃刻度。

研究人员在两块100纳米厚的石墨晶体板上制造了狭缝装置,这些石墨板是通过刨削大块石墨晶体获得的。然后在将另一块板放在第一块板上之前,在石墨晶体板的每个边缘放置双层石墨烯和单层MoS2的二维原子晶体的矩形片。这样就得到了垫片厚度的间隙。

“就像拿一本书,在每个边缘放置两个火柴,然后再放上另一本书,”Geim解释说,“这造成书籍表面之间的间隙,间隙的高度等于火柴的厚度。在我们的例子中,这些书是原子平坦的石墨晶体,火柴是石墨烯或MoS2单层。”

这种组装靠范德华力结合在一起,狭缝大小与水通道蛋白的直径大致相同,这对活生物体至关重要。狭缝是可能的最小尺寸,因为具有较薄间隔物的狭缝是不稳定的,并且可能由于相对壁之间的吸引而塌陷。

在将离子浸入离子溶液中时,如果在其上施加电压,则离子会流过狭缝,并且该离子流将构成电流。该团队通过狭缝测量离子电导率,发现离子可以在施加的电场下按预期的方式移动以通过狭缝。

博士后研究员Gopi Kalon博士解释说:“当我们仔细观察时,我们发现较大的离子比较小的离子移动得慢得多,就像氯化钾。”

第一作者Ali Esfandiar博士补充说:“传统的观点认为直径大于狭缝尺寸的离子不能渗透,但是我们的结果表明这种解释太简单了。事实上,离子表现得像是软网球,而不是硬的台球,因此大离子仍然可以通过——通过扭曲他们的水合层或者将其完全脱落。

这项发表在期刊Science上的新研究,表明这些新观察到的机制对使用尺寸排阻进行脱盐起到了关键作用,向制造高通量水脱盐膜迈出了关键一步。

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