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电场可控的精确水渗透技术-水渗透薄膜技术的大突破

该文章创造性地在氧化石墨烯中加入碳导电丝,被电场击穿的导电丝会释放微弱的电流,并产生一个局域电场可使得水分子与氧化石墨烯进行分离,从而达到水的渗透精确控制。

【引言】

精确控制水分子在隔膜或毛细管中的传输在工业水净化与医疗保健领域具有重要意义。此前研究往往是通过改变PH、温度或离子强度调节膜结构及其表面的物理化学性质从而控制隔膜(主要是聚合物膜)透水性。通过电场控制隔膜的水渗透能力是一种极具吸引力的技术挑战,但是该技术对小型精确的医疗领域和大规模的工业化水提纯领域都具有重要的实际意义。然而目前的实验与理论模拟所得的结构往往是相互矛盾的。因此试图通过电场来精确调控水的渗透仍然是一个极具挑战性的技术难题。

【成果简介】

2018年7月12日,学术期刊《自然》杂志刊登了一篇由英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的R.R.Nair教授发表的名为“Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes”的文章。该文章创造性地在氧化石墨烯中加入碳导电丝,被电场击穿的导电丝会释放微弱的电流,并产生一个局域电场可使得水分子与氧化石墨烯进行分离,从而达到水的渗透精确控制。早在此前氧化石墨烯薄膜就已经被用于水渗透的研究,此次R.R.Nair教授通过导电丝的引入使得氧化石墨烯薄膜的水渗透能力可以通过电场进行精确的调控(可实现从快速渗透到完全关闭渗透的转变)。该工作将在人工生物系统、组织工程和智能过滤膜领域产生极大的实际意义。

【图文简介】

图1 场致氧化石墨烯渗透膜结构以及氧化石墨烯薄膜的形貌图。器件结构为多孔银电极/氧化石墨烯(掺导电细丝)/多孔金电极,电极是便于施加电场,多孔是为了便于水透过。图d中的红色圆圈指示的为导电细丝。

电场可控的精确水渗透技术-水渗透薄膜技术的大突破

图2 电场可控的水渗透。黑色曲线为水渗透速率与电场的关系曲线,通过施加电场,水渗透速率得到有效调控。插图中实行一次电压扫描为一个循环,插图可看出该渗透技术是稳定持续可控的。

电场可控的精确水渗透技术-水渗透薄膜技术的大突破

图3 调节器件的有效面积与氧化石墨烯薄膜的厚度对提纯速率也会产生影响。

电场可控的精确水渗透技术-水渗透薄膜技术的大突破

文章还涉及到一些具体的表征以及H3O+与OH根离子对于水渗透速率的作用,小编就不一一讲解了。感兴趣的同学可以下载原文观看。

文献链接:Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes (Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0292-y)

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