世界最薄氧化石墨烯过滤膜问世

世界最薄氧化石墨烯过滤膜问世
 


 

图片来源:phys.org

近日,美国南卡罗来纳大学的工程师研制出世界上最薄的氧化石墨烯过滤膜。这种薄膜拥有较高的渗透选择性——氢气和氦气能够轻易通过这种薄膜,而其他气体,例如二氧化碳、氧气、氮气、一氧化碳以及甲烷等通过的速度则要慢得多。并且,它最大的特点在于其厚度不到2纳米。相关研究成果日前发表于《科学》。
 
“氢气的动力学直径为0.289纳米,二氧化碳的动力学直径是0.33纳米。虽然二者的差别很小,只有0.44纳米,但这种差别足够产生不同的渗透效果。”该校工程计算学院化学工程师,同时也是该研究团队负责人余淼(音译)说,“我们研制的薄膜就像一个筛子。大分子无法通过它,而小分子却可以。”
 
“这项研究的突破在于将薄膜的厚度减小一个数量级,这也是分离技术的重大突破。”余淼说。
 
据介绍,传统此类薄膜由氧化石墨烯片层层覆盖而成—— 一片一片宽度为500纳米,厚度为1个原子直径的氧化石墨烯被排列在一个面积为2平方厘米的圆形区域。这一过程就像在一个桌子上铺满扑克牌。
 
而这种制造方法的缺点在于,很难保证所有区域都被“扑克牌”覆盖,总会出现空白区域。在过滤薄膜工作时,气体分子会试图穿过其所发现的孔隙,而薄膜上有两种孔隙:氧化石墨烯片上的孔隙,氧化石墨烯片之间的孔隙。
 
所以,氧化石墨烯片之间的孔隙,就成为气体分离技术发展的一个障碍。这也是为何传统此类薄膜很厚的原因。“(薄膜的厚度)至少有20纳米。”余淼说,如果过薄的话,任何小尺寸的物体以及气体分子都能很容易地从这种不规则的孔隙之间通过。
 
而余淼团队设计了这种制造不含有孔隙薄膜的技术。他们将氧化石墨烯打成不均匀混合的混合物,在加水之后,利用声波降解法和离心分离技术,得到了均匀的氧化石墨烯悬浮液。最后,通过简单过滤之后,悬浮液被涂在氧化铝基质上,进而获得了新型过滤膜。(来源:中国科学报 邱锐/编译)