JMCA:自清洁二维类石墨烯膜的全新设计理念!
来源:morion日期:2021-09-07 浏览:84次

目前,地球上有超过10亿人都面临着水资源短缺的问题,随着人口增长,气候变化,水污染等,这一问题日益严峻。海水淡化被认为是解决这一问题的关键,其中具有显著的水-盐分离效率的反渗透技术(RO)备受期待。传统的聚合反渗透膜仍然存在这样的缺陷,如污垢阻力低,选择性差,抗污稳定性低,抗化学/热降解差。因此,寻找和探索具有更好的渗透性,选择性,化学稳定性,并能同时抗污的新材料一直是科学家们不断努力的方向。


理论上,原子厚度的膜可以导致很高透水率,由于水通量与膜厚度成反比关系,在这些材料中,石墨烯材料表现出耐污性、耐降解性、超高机械性能、抗撕裂的强度,可调的小孔隙尺寸,可调的渗透率,化学稳定性和可伸缩的合成方法,这可能会带来具有成本效益的生产。由于这些优势,石墨烯基膜被认为是用于下一代海水淡化系统很有前景的候选者。然而,纳米多孔石墨烯在海水中的应用仍处于研究阶段,由于很难在单层上钻取半径均小于0.45 nm的无缺陷亚纳米孔而脱盐。造成这种情况的主要原因是需要均匀的亚纳米级孔径的孔隙分布,这决定了孔径的大小对纳米多孔石墨烯的选择性,对其提出了严峻的挑战,纳米孔膜的制备是关键因素,这阻碍了多孔石墨烯膜技术的大规模应用。但众多分离膜仍存在渗透性与脱盐率的矛盾问题,即要想达到高脱盐率,往往要牺牲水渗透性,难以实现两全其美,这个问题也一直困扰着科学家们。


近日,昆明理工大学材料科学与工程学院于晓华教授和荣菊教授等指导的研究生侯金成在《Journal of Materials Chemistry A》上发表新型类石墨烯基海水淡化反渗透膜的重要研究成果,这一新型淡化膜以昆明理工大学命名(Kust-I)。Kust-I的孔径为0.45 nm,解决了目前在单层上钻取半径均小于0.45 nm孔的挑战。同时,膜层通过合理的电子结构设计,完美地结合了缺陷石墨烯的盐离子高截留率和沸石结构的高使用寿命,首次设计了具有良好稳定性、高力学性能、高钠离子截留率和自清洁循环使用的反渗透膜材料。审稿人对这项工作给与了极高的评价:“The present work is contributing significant novelty and it fills gaps ofknowledge in graphene-like systems with potential applications for importantindustrial processes, so it is quite useful to the journal audience”。


图1 Kust-Ⅰ的差分电荷密度



图2 Kust-Ⅰ的优化结构

图3 Kust-Ⅰ海水淡化特性 Kust - I在不同压力下水的累积通过量(a),海水淡化膜工作原理图(b), H2O (c)和O (d)过渡态的第一性原理计算




图4 Kust-Ⅰ的合成方法设计


论文链接:https://doi.org/10.1039/D1TA05322A


新闻来源:https://mp.weixin.qq.com/s/QOxTJ9Vu9gq2scTZUN5SJw