材制視角 | 妙用多多的石墨烯
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就在前不久,石墨烯的海水淡化技術取得突破性進展,海水淡化計術關乎人類未來生存,讓我對石墨烯產(chǎn)生濃厚的興趣,于是多方了解寫下了這篇對石墨烯的簡單科普。
2004年,石墨烯首次出現(xiàn)在實驗室,它的出現(xiàn)引起了科學界的巨大震動,其優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納米加工、能源、生物醫(yī)學等領域具有重要的應用前景。因此在2010安德烈·海姆(Andre Geiom)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)榮獲諾貝爾物理學獎。
01 石墨烯的出現(xiàn)·
其實石墨烯出現(xiàn)并沒有特別復雜，安得烈經(jīng)過長期研究，決定探索單層石墨的功效，于是他便把這個任務交給了手下的研究生。磨個幾毫米還說得過去，這這這磨到原子級別有點過分了吧。但沒想功夫不負有心人到真讓人給“鐵柱磨成針”了，而且單層石墨烯接下來的性質檢測就讓他們更加震驚，石墨烯一躍成為未來革命性材料，飛上枝頭變鳳凰。石墨烯一層層也被一層層揭開面紗。
02 不得不考慮的成本·
目前石墨烯生產(chǎn)成本有高有低，一克四五十人民幣，甚至更多，當然便宜的也有，但質量就無法言喻了?！白韵露稀钡臋C械剝離法，經(jīng)濟成本低，成為高質量批量生產(chǎn)石墨烯的目標方法之一。沈志剛(Shen Zhigang)詳細綜合【1】講明了大量制備方法這里就不一一列舉了。
03 石墨烯的出現(xiàn)·
最先要說的是電池領域，目前此方面的技術發(fā)展已經(jīng)初現(xiàn)成效，主要用處是加入到電池負極材料，極大提高電子流通率，同時也提高了電池容量。石墨烯電池有遠著高于其他電池的性能：
（1）是目前最好產(chǎn)品儲電量的三倍
（2）充電五分鐘電動車可行駛一千公里
（3）重量輕，成本低生產(chǎn)此產(chǎn)品公司表示比鋰電池成本低77%，并且有著極高的壽命。
十全十美自然說不太過去，石墨烯目前成本還不好說，曾經(jīng)達到過5000人民幣每克，目前石墨烯成本在一克500到2000人民幣。
04 石墨烯膜·
第二個應用方面就是文章開頭所說的“石墨烯膜基海水淡化技術”。因為碳納米結構的獨特性和可調性，為識別和應對環(huán)境問題提供了多種解決方案，而我們的“石墨烯膜基海水淡化技術”包括最先進的反滲透技術已經(jīng)被證明此法比熱脫鹽法更有效。這說明什么？解決人類淡水危機的工程將在不久將來迎來春天。
這項研究以淡水是人類和其他生命賴以生存的最寶貴的資源之一，但由于人口增長，氣候變化，和水污染，它的可用性越來越低。盡管有豐富的海水作為替代水資源，海水淡化通常受到生產(chǎn)率低、能耗相對高的限制。膜基海水淡化技術包括最先進的反滲透(RO)技術，已被證明比熱脫鹽方法更有效。傳統(tǒng)的聚合反滲透膜仍然存在這樣的缺陷，如污垢阻力低，選擇性差，抗污穩(wěn)定性低，抗化學/熱降解差。因此，尋找和探索具有更好的滲透性，選擇性，化學穩(wěn)定性，并能同時抗污的新材料一直是科學家們不斷努力的方向。新型三種類型膜在解決水滲透性和選擇性的問題上已顯示出巨大的潛力，它們是超薄的納米孔膜，如多孔石墨烯、人工水膜通道，如碳納米管(CNTs)和層堆疊帶有二維水通道的膜，包括氧化石墨烯(GO)和二硫化鉬。
理論上，原子厚度的膜可以導致很高透水率，由于水通量與膜厚度成反比關系，在這些材料中，石墨烯材料表現(xiàn)出耐污性、耐降解性、超高機械性能、抗撕裂的強度，可調的小孔隙尺寸，可調的滲透率，化學穩(wěn)定性和可伸縮的合成方法，這可能會帶來具有成本效益的生產(chǎn)。由于這些優(yōu)勢，石墨烯基膜被認為是用于下一代海水淡化系統(tǒng)很有前景的候選者。然而，納米多孔石墨烯在海水中的應用仍處于研究階段，由于很難在單層上鉆取半徑均小于0.45 nm的無缺陷亞納米孔而脫鹽。造成這種情況的主要原因是需要均勻的亞納米級孔徑的孔隙分布，這決定了孔徑的大小對納米多孔石墨烯的選擇性，對其提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，納米孔膜的制備是關鍵因素，這阻礙了多孔石墨烯膜技術的大規(guī)模應用。但眾多分離膜仍存在滲透性與脫鹽率的矛盾問題，即要想達到高脫鹽率，往往要犧牲水滲透性，難以實現(xiàn)兩全其美，這個問題也一直困擾著科學家們。
膜的選擇性依賴于膜的滲透性和選擇性之間的矛盾，決定了膜分離技術的發(fā)展。近日，江蘇大學和美國加州大學伯克利分校等單位的研究人員（張忠強、李少凡、丁建寧等）發(fā)現(xiàn)了一個以前未知的機制，使用有孔的旋轉納米多孔石墨烯膜時打破了滲透性和選擇性間的矛盾，結果表明，旋轉石墨烯膜具有幾乎100%的鹽排斥率，即使孔隙尺寸大于水合離子，且表面在液體/石墨烯界面滑移，旋轉膜可同時實現(xiàn)超選擇性和前所未有的高滲透率。(作者提出了“時間選擇性”的概念，將非傳統(tǒng)選擇性歸結于離子通過孔的穿透時間和離子滑過孔所需的旁路時間的差異。新發(fā)現(xiàn)的時間選擇性克服了孔隙大小的限制，提出了一種新的理論，為設計高性能膜奠定了基礎。)這項研究工作以“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal selectivity that breaks the permeability-selectivity trade-off”為題發(fā)表在頂級期刊《Science Advances》上?！?】
這項研究打破了高滲水低脫鹽率，低滲水高脫鹽率的矛盾，使得高滲水，高脫鹽兩全。進一步革新了下一代海水淡化技術。
經(jīng)歷多年發(fā)展，石墨烯在智能材料方面也有不少利用，石墨烯的導電率和穩(wěn)定性有著廣泛的適用性。仍有不少的利用這里就不一一例舉了。
毫無疑問從上述文章已經(jīng)可以看到石墨烯的巨大潛力，更深層面來說納米材料將會引領未來，而石墨烯只是其中一個代表，科技的發(fā)展需要全人類的推動，求同存異，合作交流，是我們前進的高速列車。作為處于時代潮頭的大學生們，在這個民族復興的關鍵節(jié)點上，希望各位有識之士肩負起自己責任，為了夢想，為了我們共同的美好的未來，奔跑吧！嘶吼吧！
參考：
搜狗百科----石墨烯
公眾號：材料科學與工程
《Science》子刊：石墨烯再顯神通！海水淡化技術取得重要突破
揭秘：石墨烯是這樣被首次實現(xiàn)的！全球科學家給跪了………
邁進石墨烯大門，請從這十篇綜述開始
?鉅大鋰電：石墨烯電池優(yōu)缺點分析
【1】Yi, M. & Shen, Z. G. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. Journal of Materials Chemistry A, 3, 11700-11715 (2015).
【2】論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaba9471
撰? 稿? 人： 科技協(xié)會科創(chuàng)部 張浩澤?
責任編輯： 科技協(xié)會科創(chuàng)部 馬浩然?
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總? 編? 輯： 李曉萌
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