石墨烯助力海水淡化,让海水秒变淡水

石墨烯作为膜材料的研究仍处于初期阶段,但近年来的研究发现其在触摸屏、导电膜、太阳能电池和发光二极管等方面表现出更多的潜在优势,如高灵敏度、高导电率、高光电转换效率和高的透光率等。

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因此,将石墨烯应用于导电薄膜材料中是一项非常有前景的工作。但是,石墨烯薄膜的制备方法的不同对其导电性、透光率、均匀性等性能影响较大,从而在很大程度上限制了其作为导电薄膜材料应用的发展。

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石墨烯薄膜的制备

石墨烯由于其超强的热稳定性、化学稳定性、机械稳定性以及高透光性和电子迁移率等优点,因而被认为是制备膜材料最佳的材料之一。目前,石墨烯薄膜的制备方法有多种,主要包括:旋涂法、喷涂法、层层自组装和化学气相沉积法等。

1、旋涂法

旋涂法是一种较简单的制备石墨烯薄膜的方法。首先,配制一定浓度的石墨烯溶液,采用高速离心得到单层石墨烯分散液。其次,将其覆盖到预处理过的基底表面。最后,选择适宜的转速旋涂一定时间即得到石墨烯薄膜。溶液的浓度、旋涂速度、溶剂类型、旋涂次数以及外界温度和湿度都对薄膜的厚度和质量具有一定的影响。

先采用4-苯重氮磺酸盐对石墨烯进行修饰改性,接着将其分散在水中制备成胶状分散液?最后,通过旋涂法在玻璃衬底表面将其制备成透明导电薄膜,其在可见光波长为550nm下透光率高达89%,这种方法可以有效解决石墨烯在水溶液中分散性差的问题,从而消除其在应用中因分散性问题.带来的阻碍,是一种简单、快速制备高质量石墨烯薄膜的方法。

优缺点:

旋涂法是目前制备薄膜材料常用的一种方法,采用这种方法制备的薄膜较均匀、厚度可控且制备工艺简单,可以在任意形状的基底上制备薄膜,但最适合旋涂有一定粘度的溶液且溶剂的选取对膜质量影响较大。

2、喷涂法

喷涂法制备石墨烯薄膜是通过喷雾枪雾化石墨烯分散液,然后将雾化的分散液喷洒在基底表面,待溶剂挥发完全后即得到石墨烯薄膜。喷涂法制备薄膜中分散液的浓度、分散程度、喷涂的均匀性以及喷涂的时间均对薄膜的均一性和质量有很大的影响。

优缺点:

喷涂法制备石墨烯膜的方法具有简单易操作、效率高、成本低、可在任意基底进行、对膜损伤小和可制备大面积薄膜等特点。但是,这一方法对悬浮液分散性要求较高,薄膜的均匀性不好,厚度难以精确控制。

3、层层自组装法

层层自组装法制备石墨烯薄膜,通常是先通过表面改性,使石墨烯氧化物表面带有不同基团、电荷,从而通过静电力、π-π作用、氢键等为驱动力进行层层自组装制备出多功能的石墨烯薄膜,作用力的不同对薄膜的形貌和结构具有显著的影响。

江苏大学的周亚洲等采用静电自组装技术,通过交替沉积聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)(或硝酸银)和氧化石墨烯,制备氧化石墨烯/PDDA薄膜和氧化石墨烯/硝酸银复合薄膜?他们在600℃经氩气和氢气还原后得到石墨烯薄膜和石墨烯/银复合薄膜。结果表明,通过静电自组装法可以获得生长均匀的薄膜,对比相同自组装次数的石墨烯薄膜,石墨烯/银复合薄膜具有更好的透光性和更低的薄膜方块电阻。同时,研究发现银的加入不仅能够有效改善薄膜的导电性而且能够改善其透光率。由此可见,此方法对于制备多功能、高品质石墨烯薄膜具有深远指导意义。

优缺点:

层层自组装法制备多功能石墨烯或者石墨烯复合薄膜,不受基底种类、形状、大小的限制,可以通过控制超薄膜的结构、成分来制备多功能超薄膜。目前层层自组装方法已经实现自动化生产。

4、化学气相沉积法

CVD法制备石墨烯的基本流程

化学气相沉积(CVD)法是目前应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的沉积技术,它提供了一种可控制备石墨烯薄膜的有效方法。在CVD法中,基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数的选择对石墨烯薄膜的生长工艺参数(如生长速率、厚度、面积等)具有很大的影响。

优缺点:

采用CVD法可以得到性能优异的大尺寸石墨烯薄膜,是目前制备高质量石墨烯薄膜的常用方法,但是其制备过程中苛刻的实验条件和复杂的操作方法,使其很难成为一种大规模制备石墨烯薄膜的方法。

5、其他方法

将石墨在胆酸钠的水溶液中超声剥离后经混纤膜抽滤,得到不同厚度的石墨烯薄膜,将薄膜转移到PET基底上,制备出柔性透明导电薄膜。结果表明,制备的薄膜经氢气和氩气混合气体气氛还原后,其电导率明显提高。多次弯曲后电阻变化不大,表明其具有非常良好的柔韧性,这种性能是ITO导电薄膜无法实现的。

以SnCl4·5H2O和石墨烯为原料,采用溶胶-凝胶法在石英玻璃衬底上制备了SnO2掺杂石墨烯的薄膜。结果表明,石墨烯的掺入使氧化锡薄膜的晶体质量得到提高,薄膜样品的光学谱带发生“红移”现象,随着石墨烯含量的增加,氧化锡薄膜光致发光强度表现为逐步淬灭的现象。

采用恒电位聚合法制备了聚吡咯/石墨烯/锰氧化物三元纳米复合薄膜。电化学测试结果表明,该三元纳米复合电极具有高的比电容(可达320.6F/g),且经过1000个充电/放电循环后,其比电容仍能保持其初始值的93%以上。

用共电沉积法制备了石墨烯片层两侧沉积NiO的石墨烯复合薄膜(其制备流程图如图2所示)。这种薄膜显示出良好的循环性和优异的导电性,作为锂离子电池的阳极材料,经过50次循环充电/放电后其容量仍能保留586mA·h/g。

基于以上特性,科学家用石墨烯制成了可以筛掉盐类离子的“筛子”。

石墨烯助力海水淡化,让海水秒变淡水

曼彻斯特大学的科学家的新发现在发表在《自然·纳米技术》杂志上。此前的石墨烯氧化物膜已经显示出了进行气体分离和水过滤的强大潜力,它们已经被证实可以用于过滤掉小纳米颗粒,有机分子甚至大颗粒的盐的能力。然而它们不能用于筛出脱盐技术中的普通盐类,因为它们的“筛孔”还不够小。

曼彻斯特大学以前的研究发现,如果浸入水中,石墨烯氧化物膜变得肿胀,虽然膜还能阻断较大的盐类,较小的盐与水一起通过薄膜。

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曼彻斯特的团队现在已经进一步开发了这些石墨烯膜,并且发现了一种避免膜暴露于水时溶胀的方法。他们已经可以精确控制膜中的孔径,从而可以从咸水中过滤出普通的盐,保证饮用的安全性。

当普通盐溶解在水中时,它们总是在盐分子周围形成水分子的“壳”。这让氧化石墨烯膜的微小毛细管阻挡盐与水一起流动。那些独立的水分子能够通过膜屏障,相当快速地通过。

曼彻斯特大学的 Rahul Nair 教授说:“实现到原子尺度的确定滤孔是一个重大的进步,将为提高脱盐技术的效率开辟新的可能性。

“这是这个领域的第一个明确的实验,我们还证明了我们可以通过改变滤孔大小,实现对具有对各种滤孔大小的石墨烯膜的大规模生产。

随着气候变化的影响继续减少现代城市的供水,富裕的发达国家也在投资海水淡化技术。继加州的严重洪灾以后,主要富裕城市也越来越多地寻求替代水解决方案。

到2025年,联合国预计世界人口的14%将遇到缺水问题。这种技术有可能彻底改变世界各地的水过滤系统,特别是在无法建造大型脱盐厂的国家。

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