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离子精确“装订”石墨烯膜可用于离子筛分和海水淡化

发表日期：2017-10-10 15:47文章编辑：国初科技浏览次数：标签：

据中科院网2017年10月10日讯精确控制（氧化）石墨烯膜的层间距，达到十分之一纳米精度，是其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用的关键。近日，中国科学院上海应用物理研究所方海平团队、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队和浙江农林大学学者合作，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，相关论文发表在Nature上。
　　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，其困难可想而知。更具挑战的是，石墨烯膜在水溶液中会发生溶胀导致分离性能严重衰减。研究人员曾利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍不能如愿。方海平团队在水合离子与芳香环结构上π电子相互作用的系列工作的基础上，提出了溶液中离子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的层间距，并进行了相应的理论模拟计算加以验证。他们还利用上海光源的X射线小角散射（BL16B1）、精细吸收谱（BL14W1）以及紫外等表征手段，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。这样的作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层，精确控制了石墨烯膜的层间距，不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”，对应不同的层间距。吴明红团队在方海平等协助下通过实验，实现并观测到石墨烯膜与不同的离子溶液作用后确有特定的层间距，间距可小到一纳米左右，不同离子对应的间距差异小于十分之一纳米；当石墨烯膜与水合直径小的离子溶液结合后，具有更大水合直径的离子难以进入石墨烯膜。因此，通过离子选择可以实现对石墨烯膜的层间距达十分之一纳米的精确控制。金万勤团队在方海平团队理论模型的基础上，设计制备了一系列水合离子控制的多孔陶瓷支撑的石墨烯复合膜，从实验上实现了不同离子间的精确筛分；对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。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，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。研究团队申请了相应的国内和PCT专利。
　　研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院、科技部、上海光源以及上海超算中心、中科院北京超算中心和广州超算中心的资助。

　　■方海平
　　1965年5月出生，研究生学历，理学博士，研究员，博士生导师。现任中国科学院上海应用物理研究所水科学和技术研究室主任。1985年、1988年先后获山东大学物理系学士、硕士学位；1991年10月～1994年10月在中国科学院理论物理研究所攻读理学博士学位；1994～2002复旦大学物理系博士后、讲师、副教授（其中，1997～1998年香港科技大学访问学者）；2000～2001年美国John Hopkins大学访问副教授；2002年至今，任中国科学院上海应用物理研究所研究员，中国科学院研究生院教授，博士生导师，复旦大学兼职教授。1985～1990年从事粒子物理学（高能正负电子对碰撞后的多重数）的理论研究。1991～1994年在中国科学院理论物理研究所进行非线性科学（主要是符号动力学）研究。1995年初起，研究晶格玻尔兹曼方法及其在石油开采和生物流体等方面应用，是国际上最早用晶格玻尔兹曼模型研究血液流的研究者之一。近年来侧重界面水、纳米生物学和理论物理学的交叉研究，特别是纳米尺度空间中水的特性、其生物效应和其启发的物理机理研究。先后主持或参与国际合作-中法先进研究计划、国家自然科学基金项目、国家重大科学研究计划项目、国家人事部留学人员科技活动择优资助（重点）项目等。目前正在从事纳米和分子尺度的水分子对生物分子结构和功能的重要性研究，特别强调纳米尺度水的协同、有序结构的生物效应；纳米结构疏/亲水表面特殊浸润/反浸润特性和导致的流体超高通量流动特性；生物启发的纳米水通道研究和其在水处理等技术方面的应用；纳米尺度气泡和气层的物理性质和生物效应；纳米结构（例如碳纳米管）与生物分子的相互作用；热力学第二定律在小尺度、有限时间内的适用性探讨；基于晶格玻尔兹曼方法的血液流研究，包括红血球、白血球的相互作用和红血球在不同流场中的形变和运动。在国内外学术期刊发表论文100多篇，并多次在国内外国际会议上作大会、主题和邀请报告。研究工作已发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《美国科学院院刊》(Proc. Natl. Acad. Sci. USA)、《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)、《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)、《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.) 、能源与环境科学（Energy Environ. Sci.）和《科学报告》 (Scientific Reports (Nature)) 等国际权威杂志上。《自然·纳米技术》的“新闻和评论”栏目刊发标题为“A blueprint for a nanoscale pump（一个纳米泵的蓝图）”的文章做专题报道。英国的《新科学家》（New Scientist）、《化学世界》（Chemical World）、《自然·中国》等国际著名期刊和网站从分子机器、分子棘轮、淡水处理、化学分离和药物传送等方面报道和介绍了这些工作。应邀在J. Phys. D: Applied Physics, Nanoscale、Current Physical Chemistry、物理、科学等国际学术期刊写Review和Feature文章来系统阐述纳米水通道的物理、生物特性和应用前景。最近，在纳米尺度的统计物理，理论说明热扰动驱动的纳米尺度的棘轮效应的可行性和其与宏观棘轮效应的本质区别。研究工作入选科技部2005年《基础科学研究快报》、“2005年上海科技进步报告”等。申请发明专利多项。获中国科学院“百人计划”（2001）荣誉称号且终期评估获优秀，国家杰出青年基金(2008)，上海市学科带头人（2009），上海市非线性科学协会常务理事，自然NPG旗下期刊Scientific Reports的编委会成员（Editorial board member for Scientific Report）。

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