理論(lun)計算證明，石墨烯可以應用于(yu)海水淡化(hua)，制成的(de)單層納(na)米孔二(er)維(wei)薄(bo)膜(mo)相比傳統(tong)海水淡化(hua)膜(mo)具(ju)有超高(gao)的(de)選擇性(xing)分(fen)離(li)(li)效率(lv)。然而，大面積石墨烯內(nei)部存在的(de)晶界會降低(di)石墨烯的(de)機(ji)械性(xing)能(neng)，引(yin)入納(na)米孔的(de)過程將會進一步降低(di)機(ji)械性(xing)能(neng)，導(dao)致分(fen)離(li)(li)薄(bo)膜(mo)容易發生局部破裂，極大地降低(di)分(fen)離(li)(li)效率(lv)和分(fen)離(li)(li)選擇性(xing)。

　　如何能夠將薄膜大面(mian)積化并維持(chi)優異的分離效率呢？

　　日(ri)前，武漢(han)大(da)(da)學(xue)/湖南大(da)(da)學(xue)袁(yuan)荃和(he)美國加州大(da)(da)學(xue)洛杉磯分校段鑲鋒等人在《科學(xue)》上發表(biao)文章，介(jie)紹了該課題組制作的石墨烯(xi)納米篩和(he)碳納米管相結合的二元結構(gou)石墨烯(xi)薄膜(mo)，該薄膜(mo)兼具前者的選擇性分離(li)效率和(he)后者的強度優勢。

　　“嫁接”碳納米管

　　袁荃告訴《中(zhong)國(guo)科學報》，單(dan)原子層厚(hou)的納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)二維材料具有(you)最(zui)小的水(shui)(shui)傳輸阻力(li)和(he)最(zui)大(da)的水(shui)(shui)滲透流量，是構建超(chao)薄(bo)高(gao)效海水(shui)(shui)淡(dan)化(hua)膜的理想(xiang)材料。

　　然而，將超(chao)薄二(er)維材料應用于實際海(hai)水淡化面臨著兩大(da)難題。首先是(shi)(shi)如何制備具有(you)優異機(ji)械強度和(he)柔性(xing)的(de)大(da)面積無裂縫的(de)納米(mi)孔二(er)維薄膜；其(qi)次是(shi)(shi)如何在薄膜內部引入高密度均一孔徑分布的(de)亞(ya)納米(mi)孔，實現水分子的(de)高效選擇(ze)性(xing)通過和(he)鹽(yan)離子/有(you)機(ji)分子的(de)有(you)效截留。

　　對(dui)于第一(yi)(yi)個難題，袁荃(quan)從之前的(de)(de)一(yi)(yi)些研究(jiu)工作中(zhong)了解到，碳(tan)納(na)米管(guan)(guan)具有優異的(de)(de)機械性能，并(bing)且與石墨烯的(de)(de)結(jie)構類似，兩者(zhe)之間可以通過π-π鍵和范德華(hua)力相(xiang)互作用。由碳(tan)納(na)米管(guan)(guan)搭接(jie)形(xing)成的(de)(de)碳(tan)納(na)米管(guan)(guan)薄膜是(shi)一(yi)(yi)種多孔的(de)(de)網絡結(jie)構（平均(jun)孔徑300 納(na)米）的(de)(de)薄膜，不僅可以與石墨烯的(de)(de)結(jie)構完美匹配，也不會影響水滲透率。

　　因(yin)此(ci)，袁荃團(tuan)隊想到將納米孔石墨烯與(yu)碳納米管(guan)結合來彌補(bu)前者的缺陷。

　　納米鉆孔

　　文章(zhang)共(gong)同一(yi)(yi)作(zuo)楊雁冰博士介紹(shao)到，他們先在銅箔上生(sheng)長(chang)出一(yi)(yi)層單層石墨烯，再在上面的一(yi)(yi)些區域覆(fu)蓋相互連通(tong)的碳納(na)米(mi)管網絡，將銅箔溶蝕掉之后就得(de)到了一(yi)(yi)張碳納(na)米(mi)管支(zhi)撐的石墨烯薄膜。

　　為取(qu)得高密度(du)均(jun)一孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)分布(bu)的(de)亞納(na)米孔(kong)(kong)，他們(men)在石墨(mo)烯表面生長了(le)一層均(jun)一孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)分布(bu)的(de)介孔(kong)(kong)氧化硅（平(ping)均(jun)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)2納(na)米）作為掩模板，用氧等(deng)離(li)子體(ti)(ti)(ti)刻蝕(shi)(shi)(shi)去掉(diao)介孔(kong)(kong)氧化硅孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)內(nei)的(de)石墨(mo)烯。氧等(deng)離(li)子體(ti)(ti)(ti)刻蝕(shi)(shi)(shi)時間(jian)越(yue)長，刻蝕(shi)(shi)(shi)掉(diao)的(de)石墨(mo)烯越(yue)多(duo)，石墨(mo)烯的(de)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)也就越(yue)大，這樣就可以(yi)通過調控氧等(deng)離(li)子體(ti)(ti)(ti)刻蝕(shi)(shi)(shi)的(de)時間(jian)來調控石墨(mo)烯納(na)米篩的(de)孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)。當刻蝕(shi)(shi)(shi)時間(jian)控制在10秒時，孔(kong)(kong)徑(jing)(jing)為0.63納(na)米，可以(yi)有效允許直徑(jing)(jing)0.32納(na)米的(de)水分子通過并(bing)阻擋(dang)直徑(jing)(jing)0.7納(na)米的(de)鹽離(li)子。

　　這(zhe)種薄膜可以不經(jing)聚合物(wu)支撐懸空、彎曲(qu)、拉(la)(la)張而不產生明(ming)顯裂縫，測試(shi)和(he)計算結果顯示，新(xin)的(de)薄膜能承受380.6MPa應力(li)，楊氏(shi)模量達到9.7GPa，這(zhe)3倍(bei)于碳納米(mi)管薄膜，相當于納米(mi)孔石墨烯薄膜2.4倍(bei)的(de)拉(la)(la)伸剛(gang)度(du)和(he)10000倍(bei)的(de)彎曲(qu)剛(gang)度(du)。

　　于是(shi)，他們做出(chu)了一(yi)張又大又強韌的石(shi)墨烯介孔薄膜。它的過(guo)濾性能又如何呢？

　　文章共同一作楊向東(dong)博(bo)士(shi)介紹，10秒刻蝕的石(shi)墨烯納米篩/碳(tan)(tan)納米管(guan)薄膜(mo)(mo)(mo)滲(shen)透率(lv)(lv)可以達(da)到20.6升每平米每小時(shi)每大(da)氣(qi)壓(ya)，24小時(shi)滲(shen)透之后鹽離子截留率(lv)(lv)大(da)于97%。相對(dui)商(shang)用的三乙酸纖維素淡化膜(mo)(mo)(mo)，新型(xing)石(shi)墨烯納米篩/碳(tan)(tan)納米管(guan)薄膜(mo)(mo)(mo)的水(shui)滲(shen)透率(lv)(lv)提高了100倍，抗污(wu)染能力更(geng)強，而且由(you)于不(bu)受(shou)內部濃差極化效應制約，薄膜(mo)(mo)(mo)在高濃度鹽環境下仍然可以保持較高的水(shui)滲(shen)透率(lv)(lv)。

　　進擊中的石墨烯海水淡化膜

　　楊雁冰告(gao)訴記者，目前的(de)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)海(hai)水淡化膜(mo)分(fen)為兩類，一類是(shi)以(yi)麻省理(li)工學院教授Rohit Karnik團隊為代表所研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)單原子層厚的(de)納米多孔薄膜(mo)。但是(shi)，單原子層厚的(de)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)機械強度較弱，所以(yi)實驗研(yan)究(jiu)(jiu)中用(yong)到的(de)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)都用(yong)了聚合物膜(mo)支撐，并且(qie)直接通過高能電子束轟(hong)擊(ji)或(huo)氧等離子體刻蝕(shi)在石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)內部引入亞納米孔，孔徑分(fen)布(bu)范圍(wei)較廣，極大(da)地降低(di)了分(fen)離效率，所以(yi)無(wu)法應用(yong)于實際。

　　另(ling)外(wai)一類是(shi)諾貝爾物理學(xue)獎得主、曼(man)徹(che)斯特大學(xue)教授Andre Geim團隊(dui)研究(jiu)的(de)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯膜。氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯容(rong)易(yi)量產(chan)，但是(shi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯膜浸潤在溶液中之(zhi)后(hou)，氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯片(pian)層之(zhi)間(jian)會吸水擴大層間(jian)距(ju)(ju)，降低了海水淡化(hua)(hua)效(xiao)率，因(yin)此現(xian)有的(de)研究(jiu)工作主要集中于如(ru)何(he)控制氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)石(shi)(shi)墨(mo)烯片(pian)層之(zhi)間(jian)的(de)層間(jian)距(ju)(ju)。

　　袁荃等(deng)這次(ci)制成(cheng)的新型石墨烯(xi)納(na)米(mi)篩/碳納(na)米(mi)管薄膜不需要(yao)聚合物支撐就結實耐用，并兼具多種滲透效率優(you)點，為石墨烯(xi)應用于海(hai)水淡化(hua)打開了一條(tiao)新的思路。若解決量產問題(ti)，未來人(ren)們或將(jiang)能(neng)喝上“石墨烯(xi)淡化(hua)水”。