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《自然》杂志刊登浙江农林大学陈亮博士最新研究成果

离子精确“装订”的石墨烯膜,在离子筛分和海水淡化方面取得重大突破

中国教育在线浙江站  编辑 陈显婷 通讯员 陈胜伟  2017-10-12    

  中国教育在线浙江站讯  (编辑 陈显婷 通讯员 陈胜伟)10月9日,浙江农林大学理学院陈亮博士以第一作者身份,在世界顶级学术期刊《自然》杂志上发表了题为《Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing》(《通过阳离子控制层间距实现氧化石墨烯膜的离子筛选》)(DOI:10.1038/nature24044)的学术论文,这是该校教师发表高水平学术论文的新突破。

  该论文提出并实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距,展示了其出色的离子筛分和海水淡化性能,并用理论计算、上海光源的X射线小角散射(BL16B1)和精细吸收谱(BL14W1)实验阐明了机理。相关研究成果,解决了氧化石墨烯膜在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等前沿研究领域中的重大难题,为其进一步应用提供了重要的理论和实验基础。陈亮博士及其研究团队还将相关研究成果,申请了相应的国际、国内发明专利。

研究模型

  石墨烯(Graphene)是由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜,是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。英国物理学家Geim和Novoselov用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯因其独特的二维结构,拥有诸多突出的物理化学性质,在能源、材料、电子、生物、医药等领域展现出巨大的应用价值,也是构筑高性能分离膜的理想材料,成为近年来膜领域的研究热点。膜分离是一种新型的分离技术,与传统技术相比,具有节能、高效、操作简单等特点,受到学术界与工业界的广泛关注,开发高性能膜材料是实现高效膜分离的关键。

  据介绍,石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化一直面临巨大挑战:对像纸一样的石墨烯纳米片,要精确“装订”成石墨烯膜,保证其层间距固定并精确到十分之一纳米这么小的尺度,非常困难;更具挑战的是,石墨烯膜在水溶液中还会发生溶胀导致分离性能严重衰减。陈亮及其团队的研究工作,证明了离子与石墨烯片层内芳香环结构之间存在水合离子-π相互作用。这种作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层,精确控制了石墨烯膜的层间距,而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”,进而对应于不同的层间距。对于具有最小水合直径的钾离子,由于钾离子的水合层较弱,进入石墨烯膜后水合层发生形变,导致特别小的层间距。这样,经过钾离子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合钾离子自身的进入,有效截留盐溶液中包括钾离子本身在内的所有离子,同时还能维持水分子通过,实现一边是离子溶液一边是纯水的水处理效果。 该研究不仅为石墨烯膜的设计制备提供了理论与技术指导,也为其他二维材料在分离膜领域的研究开辟了新思路。

浙江农林大学理学院陈亮博士

  相关研究工作由中国科学院上海应用物理研究所、上海大学、南京工业大学和浙江农林大学的研究人员发挥各自优势合作完成,得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、上海光源以及上海超算中心、中国科学院北京超算中心和广州超算中心的资助。

  陈亮博士是浙江农林大学理学院教师,长期以来,主要研究碳纳米材料在环境中的应用、有机污染物处理、重金属污染处理、海水淡化等应用研究以及碳纳米材料的理论机制的基础研究。已在国内外学术期刊发表论文30多篇。研究工作成果已发表在《自然》(Nature)、《物理化学》(J Phys Chem C (ACS) )、和 《科学报告》 (Scientific Reports) 等国际权威杂志上,申请国际、国内发明专利多项。

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