振荡电场增强纳米多孔石墨烯剪纸薄膜的滤盐性能

南通大学高远课题组近期于Desalination期刊（2023, 567, 116983）发表题目为“Oscillating electric field assisted nano-incised graphene kirigami for ultrahigh-performance water desalination membrane”的文章。该文章第一作者为高远博士，通讯作者为陈伟强博士。中国矿业大学喻梓轩博士等对文章发表做出了重要贡献。

【研究亮点】

• 施加适当幅度和频率的振荡电场显著增强了石墨烯剪纸薄膜的滤盐性能。
• 施加适当幅度和频率的振荡电场极大缓解了石墨烯剪纸薄膜在滤盐中的结构波动问题。
• 施加适当幅度和频率的振荡电场引发了电共振破坏水分子间氢键从而提高滤盐效率。

【文章简介】

纳米多孔石墨烯薄膜（Nano-porous graphene membrane, NPG）是一种很有前景的滤盐薄膜结构。最近已有相当数量的研究开始探索电场对其滤盐性能的提升作用及机理。对NPG Kirigami, GK）。我们之前的模拟研究已经证明了该结构具有更高的滤盐性能以及易于调节等优点。为缓解石墨烯剪纸薄膜在滤盐中的结构波动问题，进一步提升其滤盐性能，此研究采用分子动力学模拟，建立了如图1所示的振荡电场作用下的纳米滤盐系统，其中通过在左右两个活塞施加不同的力形成压力差，推动薄膜左侧的盐水通过薄膜到达右侧，从而进行滤盐。同时在z方向上施加了不同幅度和频率的正弦变化电场。结构进一步施加应力（如拉伸，剪切等）可以形成创新的石墨烯剪纸结构（Graphene

图1. （a）反渗透滤盐分子模拟系统；（b）在z方向施加的正弦电场；（c）研究的三种GK薄膜结构，考虑不同的拉伸变形和开口方向（Zigzag和Armchair）。

分子动力学模拟结果显示了在适当幅度和频率的正弦电场作用下，该GK薄膜具有极高的滤盐性能，如图2所示。对比无电场情况下的GK薄膜，在100%滤盐条件下，渗透速率增幅可达到23.1%；此渗透速率与目前常用的RO反渗透膜相比，提升了2-5个数量级。

图2. 适当振荡电场条件下GK膜（本文）、无电场条件下的GK膜和NPG膜以及其他现有脱盐膜的脱盐性能对比图。

进一步的微观定量研究表明，振荡电场增强GK薄膜滤盐性能的机理为：（1）施加适当幅度和频率的振荡电场可以缓解GK薄膜在滤盐过程中的结构波动问题，如图3a所示；（2）施加适当幅度和频率的振荡电场可以引发电共振破坏水分子间氢键从而提高滤盐效率，如图3b所示。（3）施加适当幅度和频率的振荡电场可以减少薄膜渗透通道的离子分布，减少水分子的渗透阻力，从而提高滤盐效率，如图3c所示。

图3. 适当幅度和频率的振荡电场作用下，（a）GK膜的结构波动减弱；（b）水分子间氢键被破坏，数目减少；（c）GK薄膜渗透通道上的离子分布减少，水分子的渗透阻力降低。

原文信息：

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.116983

第一作者：

高远 博士

第一作者：高远，博士。主要从事纳米基复合胶凝材料，膜材料的研制与应用方向的研究。以第一或通讯作者在Composites Part B, Carbon, Cement and Concrete Composites等国际知名期刊发表学术论文30余篇。

工作单位：南通大学交通与土木工程学院

邮箱地址：y.gao@ntu.edu.cn

通讯作者：

陈伟强 博士

通讯作者：陈伟强，博士。主要研究方向为多孔介质物理化学性质的多尺度模拟。以第一作者或通讯作者在Carbon, Nanoscale
International Journal of Thermal Sciences, Bulletin of Engineering Geology and
the Environment等期刊审稿人。, ACS Applied Materials & Interfaces等国际知名期刊发表学术论文20余篇，担任Chemical Engineering Science,

工作单位：英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）力学、航空航天与土木工程学院

通讯邮箱：weiqiang.chen@manchester.ac.uk

本期编辑：邹栋（南京工业大学）