科學(xué)家精確“裝訂”石墨烯膜

科學(xué)家精確“裝訂”石墨烯膜

近日，中科院上海應(yīng)用物理研究所方海平團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)水合離子精確控制石墨烯膜的層間距，展示出優(yōu)異的離子篩分和海水淡化性能。相關(guān)成果已在線發(fā)表于《自然》雜志，并申請(qǐng)了相應(yīng)的國(guó)內(nèi)和PCT專利。

對(duì)于石墨烯納米片，要實(shí)現(xiàn)其層間距固定到1納米左右并精確到1/10納米這么小的尺度，其困難可想而知，更具挑戰(zhàn)的是，石墨烯膜在水溶液中還會(huì)發(fā)生溶脹，導(dǎo)致分離性能嚴(yán)重衰減。

研究人員提出了溶液中離子本身可以有效控制(氧化)石墨烯膜的層間距，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論模擬計(jì)算加以驗(yàn)證。同時(shí)利用上海光源的X射線小角散射、精細(xì)吸收譜以及紫外等表征手段證明了離子與石墨烯片層內(nèi)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)之間存在水合離子相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層，精確控制了石墨烯膜的層間距，而不同大小的水合離子相當(dāng)于不同大小的“橋墩”，進(jìn)而對(duì)應(yīng)于不同的層間距。

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后具有特定的層間距，這樣的間距可以小到1納米左右，而不同離子對(duì)應(yīng)的間距差異小于1/10納米;當(dāng)石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結(jié)合后，具有更大水合直徑的離子就難以進(jìn)入石墨烯膜。因此，通過(guò)離子選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯膜的層間距達(dá)1/10納米的精確控制。同時(shí)，通過(guò)系列水合離子控制的多石墨烯復(fù)合膜，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了不同離子間的精確篩分。

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