制備優(yōu)質(zhì)的石墨烯材料如同編織布匹，科研人員要在這種由六角形蜂窩狀排列的碳原子組成的單原子薄膜上“精工細(xì)作”，同時(shí)還要保證高質(zhì)量實(shí)屬不易。石墨烯的優(yōu)異性能源于其完美的結(jié)構(gòu)，一旦結(jié)構(gòu)遭到破壞，哪怕是非常小的破壞，也會導(dǎo)致其各項(xiàng)性能大幅下降。因此，有缺陷的石墨烯很難用于制備晶體管等高端精密產(chǎn)品。但如“粗布破絮”般不完美的石墨烯在去污環(huán)保、凈化環(huán)境等方面，卻蘊(yùn)含著極大的潛力。
不再擔(dān)憂石油泄漏
提及2010年美國墨西哥灣原油泄漏事件，恐怕現(xiàn)在還令人心有余悸。當(dāng)時(shí)讓人頭疼又無奈的是，海水油污清除作業(yè)效果不佳，遏制不了漏油對海洋生態(tài)造成的危害。
兩年后，國際著名期刊《先進(jìn)材料》和《先進(jìn)功能材料》先后報(bào)道了一種具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料。該材料可用于清理海上原油泄漏、化學(xué)品污染，所吸附污染物最高可達(dá)其自身質(zhì)量的800多倍，并且可循環(huán)使用20多次。美國在線等媒體認(rèn)為，這種石墨烯海綿結(jié)構(gòu)有可能成為石墨烯的第一種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在化工和環(huán)保方面具有巨大應(yīng)用前景。
科技日報(bào)記者采訪了這項(xiàng)研究的帶頭人、東南大學(xué)—FEI納皮米示范中心主任孫立濤教授。他表示，他們專門使用破絮般的石墨烯材料做成多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，通過多種方法實(shí)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，以此來優(yōu)化石墨烯海綿的吸附性能和力學(xué)性能。經(jīng)研究，他們首次發(fā)現(xiàn)石墨烯海綿具有超高效吸附特性，并將其不吸水卻可以吸附油等有機(jī)物的特性，成功用于快速清除海上漏油，實(shí)現(xiàn)了油水高效分離。另外，將石墨烯與商用海綿牢固結(jié)合，可得到具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯基復(fù)合海綿。該海綿與負(fù)壓系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)油水分離，大大提高分離效率，降低使用成本。
由殘缺石墨烯片組裝而成的石墨烯海綿容納空間大，孔隙率高，整個(gè)海綿里石墨烯材料只占不到1%的體積，而且可以回收利用。為進(jìn)一步降低材料成本，他們還以廢棉花或廢紙作為前軀體，制備出了碳?xì)饽z。經(jīng)測試，其對各種有機(jī)液體的吸附及循環(huán)使用效果都不錯(cuò)，并已實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)。
石墨烯以獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特性被稱為“神奇材料”，但其與水的相互作用卻讓人困惑：石墨烯表面排斥水，但浸入到水中的石墨烯薄膜毛細(xì)通道，卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關(guān)系令科學(xué)家著迷。
英國曼徹斯特大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，用理論分析和分子模擬的方法探尋其中機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后，可形成約0.9納米寬的通道，小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過，而“大個(gè)頭”則被完全阻隔在外。該篩選效應(yīng)不僅對離子尺寸要求非常精準(zhǔn)，而且比傳統(tǒng)的濃度擴(kuò)散快上千倍。這一發(fā)現(xiàn)合理解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也被稱為“離子海綿效應(yīng)”。
用計(jì)算機(jī)模擬石墨烯納米通道快速過濾離子的過程發(fā)現(xiàn)，石墨烯與離子之間的相互作用，使離子在納米通道中聚集，從而促進(jìn)了離子的快速擴(kuò)散。如果通過機(jī)械手段進(jìn)一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細(xì)通道尺寸，控制孔徑大小，將能高效過濾海水中的鹽分。這意味著，制造一個(gè)幾分鐘內(nèi)將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置有望成為現(xiàn)實(shí)。
國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊登了這項(xiàng)研究成果，并在評述中認(rèn)為，氧化石墨烯薄膜在眾多分離應(yīng)用中具有重要意義，比如，實(shí)現(xiàn)海水的快速淡化與凈化。利用這一特性，未來人類讓大海變成巨大淡水庫或許不再是天方夜譚。
有望成為除霾利器
目前，在一些防霧霾口罩和空氣凈化器中起關(guān)鍵作用的濾料，大多依靠靜電原理吸附PM2.5。但遇到水汽或口鼻中呼出的霧氣時(shí)，這些靜電作用就會減弱甚至消失，從而降低了阻滯PM2.5的效果，使得這些濾料失效。
石墨烯具有超高的比表面積和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在空氣凈化上具有極大潛力。傳統(tǒng)的濾材很難通過現(xiàn)有工藝制備出超小的孔徑。孫立濤在采訪中告訴記者，他的研究團(tuán)隊(duì)將氧化石墨烯與傳統(tǒng)濾材結(jié)合，首次成功制備出了能高效除霾的氧化石墨烯基濾材。由于該濾材對PM2.5的去除純屬物理阻隔，因此不受水汽影響，具有長期的穩(wěn)定性。
另外，有缺陷的石墨烯骨架很薄且存在大量孔洞，因此，由其組裝而成的多孔濾膜，內(nèi)部孔道交錯(cuò)縱橫，這樣可以保證濾材在孔徑大于2.5微米時(shí)，依然能有效地截留PM2.5，同時(shí)保證了濾材較低的呼吸阻力，解決了多數(shù)防霧霾口罩呼吸不暢的問題。
有缺陷的石墨烯并不完美，而科研人員卻挖掘出它內(nèi)在的潛質(zhì)，使實(shí)現(xiàn)其華麗轉(zhuǎn)身，在環(huán)保除污、凈化環(huán)境方面大顯身手。
（來源：科技日報(bào)，原標(biāo)題：不完美石墨烯“華麗轉(zhuǎn)身” ，讓海水快速變淡水）
