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不完美石墨烯的“華麗轉身”

制備優質的石墨烯材料如同編織布匹,科研人員要在這種由六角形蜂窩狀排列的碳原子組成的單原子薄膜上“精工細作”,同時還要保證高質量實屬不易。石墨烯的優異性能源于其完美的結構,一旦結構遭到破壞,哪怕是非常小的破壞,也會導緻其各項性能大幅下降。因此,有缺陷的石墨烯很難用于制備晶體管等高端精密産品。但如“粗布破絮”般不完美的石墨烯在去污環保、淨化環境等方面,卻蘊含着極大的潛力。

不再擔憂石油洩漏

提及2010年美國墨西哥灣原油洩漏事件,恐怕現在還令人心有餘悸。當時讓人頭疼又無奈的是,海水油污清除作業效果不佳,遏制不了漏油對海洋生态造成的危害。

兩年後,國際著名期刊《先進材料》和《先進功能材料》先後報道了一種具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料。該材料可用于清理海上原油洩漏、化學品污染,所吸附污染物最高可達其自身質量的800多倍,并且可循環使用20多次。美國在線等媒體認為,這種石墨烯海綿結構有可能成為石墨烯的第一種産業化應用,在化工和環保方面具有巨大應用前景。

科技日報記者采訪了這項研究的帶頭人、東南大學—FEI納皮米示範中心主任孫立濤教授。他表示,他們專門使用破絮般的石墨烯材料做成多孔的海綿狀結構,通過多種方法實現其微觀結構的調控,以此來優化石墨烯海綿的吸附性能和力學性能。經研究,他們首次發現石墨烯海綿具有超高效吸附特性,并将其不吸水卻可以吸附油等有機物的特性,成功用于快速清除海上漏油,實現了油水高效分離。另外,将石墨烯與商用海綿牢固結合,可得到具有較強機械強度的石墨烯基複合海綿。該海綿與負壓系統結合,可實現連續油水分離,大大提高分離效率,降低使用成本。

由殘缺石墨烯片組裝而成的石墨烯海綿容納空間大,孔隙率高,整個海綿裡石墨烯材料隻占不到1%的體積,而且可以回收利用。為進一步降低材料成本,他們還以廢棉花或廢紙作為前軀體,制備出了碳氣凝膠。經測試,其對各種有機液體的吸附及循環使用效果都不錯,并已實現試生産。

讓海水快速變淡水

石墨烯以獨特的力學和電學特性被稱為“神奇材料”,但其與水的相互作用卻讓人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入到水中的石墨烯薄膜毛細通道,卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關系令科學家着迷。

英國曼徹斯特大學與中國科學技術大學的研究團隊合作,用理論分析和分子模拟的方法探尋其中機理,發現水環境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸後,可形成約0.9納米寬的通道,小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過,而“大個頭”則被完全阻隔在外。該篩選效應不僅對離子尺寸要求非常精準,而且比傳統的濃度擴散快上千倍。這一發現合理解釋了實驗結果,也被稱為“離子海綿效應”。

用計算機模拟石墨烯納米通道快速過濾離子的過程發現,石墨烯與離子之間的相互作用,使離子在納米通道中聚集,從而促進了離子的快速擴散。如果通過機械手段進一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細通道尺寸,控制孔徑大小,将能高效過濾海水中的鹽分。這意味着,制造一個幾分鐘内将一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置有望成為現實。

國際權威學術期刊《科學》刊登了這項研究成果,并在評述中認為,氧化石墨烯薄膜在衆多分離應用中具有重要意義,比如,實現海水的快速淡化與淨化。利用這一特性,未來人類讓大海變成巨大淡水庫或許不再是天方夜譚。

有望成為除霾利器

目前,在一些防霧霾口罩和空氣淨化器中起關鍵作用的濾料,大多依靠靜電原理吸附PM2.5。但遇到水汽或口鼻中呼出的霧氣時,這些靜電作用就會減弱甚至消失,從而降低了阻滞PM2.5的效果,使得這些濾料失效。

石墨烯具有超高的比表面積和優異的化學穩定性,在空氣淨化上具有極大潛力。傳統的濾材很難通過現有工藝制備出超小的孔徑。孫立濤在采訪中告訴記者,他的研究團隊将氧化石墨烯與傳統濾材結合,首次成功制備出了能高效除霾的氧化石墨烯基濾材。由于該濾材對PM2.5的去除純屬物理阻隔,因此不受水汽影響,具有長期的穩定性。

另外,有缺陷的石墨烯骨架很薄且存在大量孔洞,因此,由其組裝而成的多孔濾膜,内部孔道交錯縱橫,這樣可以保證濾材在孔徑大于2.5微米時,依然能有效地截留PM2.5,同時保證了濾材較低的呼吸阻力,解決了多數防霧霾口罩呼吸不暢的問題。

有缺陷的石墨烯并不完美,而科研人員卻挖掘出它内在的潛質,使實現其華麗轉身,在環保除污、淨化環境方面大顯身手。

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