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石墨烯:在海水淡化等方面令人惊喜

导读: 近十年的研究表明,石墨烯在基础研究、高频电子器件、柔性显示、电化学生物传感器、新能源电池、超级电容、导热材料、航空航天等领域有着非凡的应用潜力,被誉为“黑金”和“新材料之王”。

2017年,英国和中国的科学家先后利用不同方法,实现了对氧化石墨烯层间距的精确控制,使得体积较小的水分子可以顺利通过,而盐离子则被“堵在门外”。该成果展现了氧化石墨烯在海水淡化领域的巨大潜力。

氧化石墨烯是石墨烯的“孪生弟弟”。自2004年英国物理学家在实验室内用看似不可思议的“撕胶带”的方法,从大块石墨中剥离出科学家曾理论预言不可能稳定存在的单层石墨烯以来,石墨烯这一科学名词已变得家喻户晓。短短十几年,围绕石墨烯的各项研究发展迅猛,并展现出极其广阔的应用前景。

石墨烯是“碳材料家族”中的一员,是由一个个碳原子在平面内按照六边形蜂窝状结构排列形成的一种层状材料。由于其厚度只有一个碳原子的大小,约为0.34纳米,相当于一根头发丝的二十万分之一,是人类迄今为止发现的最薄的材料,石墨烯也被称作是一种二维材料。

正是由于这种特殊的二维原子结构,石墨烯展现出了许多普通三维材料并不具备的奇异性质。单层石墨烯的透光率高达97.7%,肉眼看过去几乎是完全透明的。它有着绝佳的导热性,热传导能力是金刚石的两倍以上。石墨烯的机械强度极大,比钢铁还要强200倍,如果把1平方米的单层石墨烯做成一张吊床,区区0.34纳米的厚度便可以稳稳地承载一只猫。石墨烯还具有十分优良的电学性质,导电性比银和铜还强,载流子迁移率比碳纳米管和硅还高。

基于石墨烯极其优异的物理特性,人们对它的应用寄予厚望。近十年的研究表明,石墨烯在基础研究、高频电子器件、柔性显示、电化学生物传感器、新能源电池、超级电容、导热材料、航空航天等领域有着非凡的应用潜力,被誉为“黑金”和“新材料之王”。

在众多潜在应用中,石墨烯净水技术不仅在原理上具备较高的可行性,在实验室也取得了许多重大突破。众所周知,活性炭作为一种常见的传统污水处理材料,内部有很多疏松的孔隙,具有很强的吸附能力。而石墨烯特殊的层状和孔状结构,使其吸附能力是活性炭的成百上千倍。在此基础上,科学家通过微观调控、修饰与改性,制造出了许多种不同的具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料,它们不仅能吸附超过自身质量数百倍的污染物,还可以循环使用,大大降低使用成本。可以说,石墨烯在污水处理和海水淡化方面提供了令人惊喜的全新解决方案。

目前,中国石墨烯产业已被列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和“中国制造2025”重点发展领域之一。我国在石墨烯领域的研究水平在国际上具有很强的竞争力,包括石墨烯净水技术在内的一些技术突破正逐渐从实验室走向市场应用。我们相信,与石墨烯有关的新技术、新发明会在不远的将来走进人们的日常生活,给人类带来巨大福音。

作者:袁嘉浩 来源:人民日报

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