石墨烯材料有助于海水淡化

石墨烯材料有助于海水淡化

科學家們已經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）的工作機理，并開發用于海水處理的高通量過濾器。環境和相關技術。

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

研究人員一直試圖模擬自然產生的離子傳輸系統，但事實證明這很困難。不幸的是，由標準技術和常規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開發了石墨烯氧化物衍生膜，引起了廣泛關注，是新過濾技術的潛在參與者。這項研究利用新工具2D材料，展示了從鹽水中提供清潔飲用水的現實前景。

為了更好地理解離子傳輸背后的基本機制，曼徹斯特大學的安德烈·蓋姆爵士領導的一個團隊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重要。狹縫是最小的可能尺寸，因為帶有較薄間隔物的狹縫是不穩定的，可能由于相對壁之間的吸引力而坍塌。

當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電率，發現在外加電場的作用下，離子可以以預期的方式通過狹縫。

博士后研究員GopiKalon博士解釋說，當我們仔細觀察時，我們發現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博士補充說，傳統觀點認為，大于狹縫尺寸的離子無法穿透，但我們的結果表明，這一解釋過于簡單。事實上，離子的行為就像軟網球，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。

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

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