南通大学等《Carbon》：石墨烯剪纸作为一种超透水淡化膜

成果简介

本文，南通大学Yuan Gao，Wei，曼彻斯特大学qiang Chen等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Graphene kirigami as an ultra-permeable water desalination membrane”的论文，研究利用分子动力学模拟揭示了石墨烯剪纸（GK）作为超渗透膜用于海水淡化的潜力。结果表明，GK膜具有优异的透水性能，达到10^3 L/m 以上/h/bar 100%脱盐率。使用GK膜的理论透水效率是纳米多孔石墨烯膜的2.4-5.8倍，比报道的常规反渗透膜高2-4个数量级。由于kirigami结构的独特几何形状，GK膜将形成吸附通道，以降低海水淡化过程中的能量屏障，引导水分子更有效地被过滤。此外，与纳米多孔石墨烯相比，GK膜对海水淡化没有严格的孔几何限制，可以通过机械变形产生，这为未来在实际项目中的应用提供了极大的便利。

图文导读

图1。(a) 用于海水淡化的石墨烯剪纸膜示意图。通过氢化（b）锯齿形切割和（c）扶手椅切割的GK膜的水分子数量。通过 GK 膜切口的水流是模拟时间的大致比例函数。(d) 计算的水渗透率和 (e) GK膜在不同应变水平和水压下的脱盐率。

图2。(a)-(f) 不同拉伸方向、官能团、应变和不同拉伸方向下，切开中心的水分子、盐离子以及石墨烯剪纸膜的振动轨迹和相应切口内的氧密度图。GK膜上的面积百分比可以通过水分子与不同的 (g) 应变水平和 (h) 水压。计算的水渗透率与水分子可以通过的 (i) 氢化扶手椅切割、(j) 氢化锯齿形切割和 (k) 羟基化锯齿形切割 GK 膜上的面积百分比。三种底色由浅到深分别代表对应的GK膜不渗水、可100%滤盐、高效滤盐。

图3。(a) GK 和 (b) NPG 膜上水分子的蒙特卡罗电位吸附场。(c) 8%应变下锯齿形切割的 GK 膜、(d) 8%应变下扶手椅切割的 GK 膜和 (e) 一个切口附近水分子潜在吸附场的放大图像NPG膜上的孔。(f), (g) 8% 应变下锯齿形切割的GK膜, (h), (i) 扶手椅切割的 GK膜的水的密度分布和 z 方向的平均力势在 8% 应变和 (j), (k) NPG 膜在 100、200 和 400MPa 的水压下。

小结

总体而言，这项工作突出了GK膜在海水淡化方面的前景，作者希望这项研究能够加深对实际应用中更好的膜技术的理解。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.04.031