袁荃/段镶锋研发新型石墨烯制备方法可实现规模化生产

2019.6.14

　　第一作者：Yanbing Yang, XiangdongYang

　　通讯作者：袁荃、段镶锋

　　通讯单位：武汉大学、湖南大学、UCLA

　　长期以来，石墨烯膜在海水淡化领域的应用难以更进一步。一个主要的原因在于，石墨烯纳滤膜的规模化生产一直停滞不前。目前，石墨烯纳滤膜的设计主要有两大策略：1）制造具有特定纳米孔的单层石墨烯；2）氧化石墨烯堆叠形成具有特定二维纳米通道。

　　第一种策略要求在无缺陷的、高机械强度的单层石墨烯上形成高密度的亚纳米孔，难度颇大，一不小心就把孔造大了；第二种方法通过羟基，羧基和环氧官能团进行化学修饰，可以控制二维通道的层间距，但这些官能团也在水溶液引起GO膜的溶胀。

　　因此，这两种方法都无法满足石墨烯纳滤膜规模化应用的重要挑战，开发适用于米级规模化制备的石墨烯基纳滤膜，是该领域亟需解决的关键问题。

　　有鉴于此，武汉大学袁荃和湖南大学/UCLA段镶锋等团队合作，报道了一种新型的厘米级纳米多孔石墨烯的制备方法，有望更容易实现石墨烯纳滤膜的规模化生产。

　　作者首先通过CVD制备具有高机械强度的厘米级石墨烯，然后通过氧等离子体刻蚀制造相对均匀的纳米孔（直径0.3~1.2nm）。这项研究的重要之处在于，它使石墨烯基纳滤膜的面积达到厘米级。在实验室规模的膜系统中进行测试，发现该材料可以从盐水中剔除85％至97％的盐。

　　尽管如此，如何将这种方法进行实用化拓展以生产海水淡化工业中膜组件所需的米级膜仍存在许多挑战。

　　第一个挑战在于：尽管该方法中孔径分布非常窄，但仍然需要需要进一步缩小以保证盐排斥率>99％。原子模拟表明，当孔径<0.55 nm时，才可能实现绝对脱盐。然而，更大尺寸的石墨烯很难避免更大的孔和更多的缺陷，将膜面积从厘米尺度增加到米尺度的实质性挑战不言而喻。

　　第二个挑战在于：更精细地控制纳米孔边缘上的官能团。羟基等官能团与离子形成氢键，降低了离子通过孔的自由能垒，这可能降低盐排斥率。而带电的羧酸盐基团可能通过电荷效应增加盐排斥。

　　有问题不可怕，关键在于如何解决问题呢？

　　一个可以考虑的策略就是，将现有两种石墨烯膜的制备策略结合起来，将纳米多孔石墨烯进行堆叠形成二维限域纳米通道，兼具纳米多孔单层石墨烯膜和堆叠GO膜的优点。这种设计的理论优势在于：1）纳米孔边缘上的官能团将用作间隔物以保持层间通道开放。2）水不仅会穿过每层的面内纳米孔，还会渗透通过夹层通道。这种材料整合了多种排斥机制，应该会具有更高的选择性。其水通量会比单层石墨烯膜略低，但是堆叠的GO膜更高。

　　另一个策略就是引入更多全新的二维材料。例如，具有垂直于平面取向的~0.5 nm的均匀孔的二维沸石纳米片就是用于水-盐分离的理想材料。MoS2纳米片之间具有更强的范德华相互作用，并且可以通过形成堆叠的多孔石墨烯-MoS2复合结构来控制堆叠的石墨烯基膜的溶胀。

　　总之，这项研究工作为石墨烯基纳滤膜的规模化制备带来了全新的启发，为石墨烯和海水淡化领域带来了新的活力。

　　作者简介：

　　袁荃，武汉大学教授。主要研究方向为多功能纳米材料的设计与制备、基于DNA的纳米复合材料在生物医学领域的应用以及基于稀土发光纳米材料的分析检测和生物成像。科技部重点研发计划纳米专项青年项目首席科学家（2017），教育部长江学者青年学者（2015），第二批中组部青年拔尖人才支持计划（2015），国家自然基金委优秀青年科学基金（2014）。

　　课题组主页：http://quanyuan.whu.edu.cn/index.html

　　参考文献：Yanbing Yang, XiangdongYang, uan Yuan, Xiangfeng Duan et al. Large-areagraphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration. Science 2019, 364, 1057-1062.

　　https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1057

石墨烯袁荃段镶锋

纳米人

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