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    中國科學院上海應用物理研究所

    研究項目:通過陽離子控制層間距實現氧化石墨烯膜的離子篩選

    論文來源: NATURE  Volume: 550   Issue: 7676     Published: OCT 19 2017

    論文題目:Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing

    中國科學院上海應用物理研究所方海平教授科研團隊及其合作者提出并實現了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距,展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能,并用理論計算、X射線小角散射和精細吸收譜實驗闡明了機理。

    方海平等研究團隊在該團隊以往工作的基礎上,提出了溶液中離子本身可以有效控制(氧化)石墨烯膜的層間距,并使用上海超級計算中心的高性能計算平臺進行了相應的理論計算驗證。同時,他們還利用上海光源的X射線小角散射、精細吸收譜以及紫外等表征手段證明了離子與石墨烯片層內芳香環結構之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層,精確控制了石墨烯膜的層間距,而不同大小的水合離子相當于不同大小的“橋墩”,進而對應于不同的層間距。為驗證該理論模型,研究團隊通過實驗成功實現并觀測到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后確有特定的層間距,這樣的間距可以小到一納米左右,而不同離子對應的間距差異小于十分之一納米;當石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結合后,具有更大水合直徑的離子就難以進入石墨烯膜。因此,通過離子選擇可以實現對石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制。在該理論模型的基礎上,研究團隊設計制備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯復合膜,從實驗上實現了不同離子間的精確篩分;對于具有最小水合直徑的鉀離子,由于鉀離子的水合層較弱,進入石墨烯膜后水合層發生形變,導致特別小的層間距。這樣,經過鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進入,有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內的所有離子,同時還能維持水分子通過,實現一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果。

    圖:通過陽離子控制層間距實現氧化石墨烯膜的離子篩選

    創建時間:2019-01-14 03:21
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