石墨烯缺陷品在环保方面大显身手

制备优质的石墨烯材料如同编织布匹,科研人员要在这种由六角形蜂窝状排列的碳原子组成的单原子薄膜上“精工细作”,同时还要保证高质量实属不易。石墨烯的优异性能源于其完美的结构,一旦结构遭到破坏,哪怕是非常小的破坏,也会导致其各项性能大幅下降。因此,有缺陷的石墨烯很难用于制备晶体管等高端精密产品。但如“粗布破絮”般不完美的石墨烯在去污环保、净化环境等方面,却蕴含着极大的潜力。

不再担忧石油泄漏

提及2010年美国墨西哥湾原油泄漏事件,恐怕现在还令人心有余悸。当时让人头疼又无奈的是,海水油污清除作业效果不佳,遏制不了漏油对海洋生态造成的危害。

两年后,国际著名期刊《先进材料》和《先进功能材料》先后报道了一种具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料。该材料可用于清理海上原油泄漏、化学品污染,所吸附污染物最高可达其自身质量的800多倍,并且可循环使用20多次。美国在线等媒体认为,这种石墨烯海绵结构有可能成为石墨烯的第一种产业化应用,在化工和环保方面具有巨大应用前景。

科技日报记者采访了这项研究的带头人、东南大学—FEI纳皮米示范中心主任孙立涛教授。他表示,他们专门使用破絮般的石墨烯材料做成多孔的海绵状结构,通过多种方法实现其微观结构的调控,以此来优化石墨烯海绵的吸附性能和力学性能。经研究,他们首次发现石墨烯海绵具有超高效吸附特性,并将其不吸水却可以吸附油等有机物的特性,成功用于快速清除海上漏油,实现了油水高效分离。另外,将石墨烯与商用海绵牢固结合,可得到具有较强机械强度的石墨烯基复合海绵。该海绵与负压系统结合,可实现连续油水分离,大大提高分离效率,降低使用成本。

由残缺石墨烯片组装而成的石墨烯海绵容纳空间大,孔隙率高,整个海绵里石墨烯材料只占不到1%的体积,而且可以回收利用。为进一步降低材料成本,他们还以废棉花或废纸作为前躯体,制备出了碳气凝胶。经测试,其对各种有机液体的吸附及循环使用效果都不错,并已实现试生产。

让海水快速变淡水

石墨烯以独特的力学和电学特性被称为“神奇材料”,但其与水的相互作用却让人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入到水中的石墨烯薄膜毛细通道,却允许水快速渗透。石墨烯与水之间的这种“若即若离”的关系令科学家着迷。

英国曼彻斯特大学与中国科学技术大学的研究团队合作,用理论分析和分子模拟的方法探寻其中机理,发现水环境中的氧化石墨烯薄膜与水亲密接触后,可形成约0.9纳米宽的通道,小于这一尺寸的离子或分子可以快速通过,而“大个头”则被完全阻隔在外。该筛选效应不仅对离子尺寸要求非常精准,而且比传统的浓度扩散快上千倍。这一发现合理解释了实验结果,也被称为“离子海绵效应”。

用计算机模拟石墨烯纳米通道快速过滤离子的过程发现,石墨烯与离子之间的相互作用,使离子在纳米通道中聚集,从而促进了离子的快速扩散。如果通过机械手段进一步压缩石墨烯薄膜中的毛细通道尺寸,控制孔径大小,将能高效过滤海水中的盐分。这意味着,制造一个几分钟内将一杯海水淡化成饮用水的过滤装置有望成为现实。

国际权威学术期刊《科学》刊登了这项研究成果,并在评述中认为,氧化石墨烯薄膜在众多分离应用中具有重要意义,比如,实现海水的快速淡化与净化。利用这一特性,未来人类让大海变成巨大淡水库或许不再是天方夜谭。

有望成为除霾利器

目前,在一些防雾霾口罩和空气净化器中起关键作用的滤料,大多依靠静电原理吸附PM2.5。但遇到水汽或口鼻中呼出的雾气时,这些静电作用就会减弱甚至消失,从而降低了阻滞PM2.5的效果,使得这些滤料失效。

石墨烯具有超高的比表面积和优异的化学稳定性,在空气净化上具有极大潜力。传统的滤材很难通过现有工艺制备出超小的孔径。孙立涛在采访中告诉记者,他的研究团队将氧化石墨烯与传统滤材结合,首次成功制备出了能高效除霾的氧化石墨烯基滤材。由于该滤材对PM2.5的去除纯属物理阻隔,因此不受水汽影响,具有长期的稳定性。

另外,有缺陷的石墨烯骨架很薄且存在大量孔洞,因此,由其组装而成的多孔滤膜,内部孔道交错纵横,这样可以保证滤材在孔径大于2.5微米时,依然能有效地截留PM2.5,同时保证了滤材较低的呼吸阻力,解决了多数防雾霾口罩呼吸不畅的问题。

有缺陷的石墨烯并不完美,而科研人员却挖掘出它内在的潜质,使实现其华丽转身,在环保除污、净化环境方面大显身手。