清華大學(xué)氧化石墨烯分離膜的脫鹽性能及機(jī)理研究方面取得進(jìn)展
時(shí)間:2016-10-7 作者:topmembranes
據(jù)清華大學(xué)材料學(xué)院網(wǎng)2016年8月18日訊 在氧化石墨烯（GO）層狀薄膜中，層間含氧官能團(tuán)支撐起sp2納米毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)，這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)具有超快水傳輸特性及對(duì)水中不同溶質(zhì)的優(yōu)異選擇性，在過濾與分離領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。利用GO薄膜篩除尺寸大于其層間納米毛細(xì)管臨界尺寸的溶質(zhì)分子和離子，進(jìn)而用于納濾和超濾已被普遍接受。然而，利用GO薄膜實(shí)現(xiàn)水脫鹽仍存在挑戰(zhàn)性，目前所報(bào)道的研究結(jié)果存在極大的爭議，阻礙了GO薄膜在實(shí)際海水淡化應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展。利用GO薄膜實(shí)現(xiàn)水脫鹽應(yīng)用是一個(gè)具有前景而又存在巨大挑戰(zhàn)的發(fā)展方向，對(duì)于解決全球清潔淡水資源的短缺與污染問題具有重大意義，因此在推動(dòng)這一新興薄膜材料面向?qū)嶋H海水淡化應(yīng)用領(lǐng)域前需論證其是否具有水脫鹽能力以及如何充分開發(fā)其潛能等若干基礎(chǔ)問題。
近日，材料學(xué)院朱宏偉課題組通過綜合運(yùn)用同位素標(biāo)記法輔助同步跟蹤水分子和鹽離子跨膜擴(kuò)散、壓力驅(qū)動(dòng)過濾及分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬，揭示了GO薄膜水脫鹽研究中所存爭議背后長期以來被忽視的原因。結(jié)果表明，GO薄膜在濃度梯度驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散過程中可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的水/離子選擇性，在水脫鹽應(yīng)用領(lǐng)域具有潛力，而在壓力驅(qū)動(dòng)過濾過程中GO薄膜的脫鹽率很低。實(shí)驗(yàn)和理論研究證實(shí)，上述矛盾結(jié)果源于水/離子選擇性與外加壓力和GO層間納米通道長度間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用。外加壓力削弱了受限于GO納米通道中的水–離子相互作用，進(jìn)而降低了水/離子選擇度，而GO納米通道長度調(diào)控不同鹽離子間的相對(duì)選擇性并在水和離子的傳輸過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。以上研究結(jié)果為理解GO薄膜的深層次脫鹽機(jī)制奠定了基礎(chǔ)�？紤]到外加壓力對(duì)GO薄膜的本征較高水/離子選擇度產(chǎn)生的負(fù)面作用以及水分子和鹽離子在GO薄膜中的獨(dú)特傳輸機(jī)制，較厚GO薄膜在正滲透脫鹽領(lǐng)域的應(yīng)用是未來具有潛力的發(fā)展方向。
相關(guān)成果以“Intrinsic high water/ion selectivity of graphene oxide lamellar membranes in concentration gradient-driven diffusion”為題發(fā)表在Chemical Science期刊上。該工作由清華大學(xué)材料學(xué)院、日本物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)（National Institute for Materials Science, NIMS）和清華大學(xué)航院合作完成，材料學(xué)院2016級(jí)博士畢業(yè)生孫鵬展為第一作者，朱宏偉教授、日本NIMS馬仁志研究員和航院徐志平教授為通訊作者。清華大學(xué)材料學(xué)院為第一單位。
近日，材料學(xué)院朱宏偉課題組通過綜合運(yùn)用同位素標(biāo)記法輔助同步跟蹤水分子和鹽離子跨膜擴(kuò)散、壓力驅(qū)動(dòng)過濾及分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬，揭示了GO薄膜水脫鹽研究中所存爭議背后長期以來被忽視的原因。結(jié)果表明，GO薄膜在濃度梯度驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散過程中可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的水/離子選擇性，在水脫鹽應(yīng)用領(lǐng)域具有潛力，而在壓力驅(qū)動(dòng)過濾過程中GO薄膜的脫鹽率很低。實(shí)驗(yàn)和理論研究證實(shí)，上述矛盾結(jié)果源于水/離子選擇性與外加壓力和GO層間納米通道長度間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用。外加壓力削弱了受限于GO納米通道中的水–離子相互作用，進(jìn)而降低了水/離子選擇度，而GO納米通道長度調(diào)控不同鹽離子間的相對(duì)選擇性并在水和離子的傳輸過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用。以上研究結(jié)果為理解GO薄膜的深層次脫鹽機(jī)制奠定了基礎(chǔ)�？紤]到外加壓力對(duì)GO薄膜的本征較高水/離子選擇度產(chǎn)生的負(fù)面作用以及水分子和鹽離子在GO薄膜中的獨(dú)特傳輸機(jī)制，較厚GO薄膜在正滲透脫鹽領(lǐng)域的應(yīng)用是未來具有潛力的發(fā)展方向。
相關(guān)成果以“Intrinsic high water/ion selectivity of graphene oxide lamellar membranes in concentration gradient-driven diffusion”為題發(fā)表在Chemical Science期刊上。該工作由清華大學(xué)材料學(xué)院、日本物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)（National Institute for Materials Science, NIMS）和清華大學(xué)航院合作完成，材料學(xué)院2016級(jí)博士畢業(yè)生孫鵬展為第一作者，朱宏偉教授、日本NIMS馬仁志研究員和航院徐志平教授為通訊作者。清華大學(xué)材料學(xué)院為第一單位。