垂直输运的氧化石墨烯实现高效的盐差能转化
发布者:陈源 发布时间:2020-05-13 浏览次数:404

厦门大学能源学院曹留烜副教授、郑志锋教授等与北京大学刘峰研究员合作在高通量选择性纳米多孔膜的设计和制备方面取得重要进展,相关研究以“Vertically Transported Graphene Oxide forHigh-Performance Osmotic Energy Conversion”为题发表于Advanced Science

选择透过性膜能够实现不同物质和组分的分离、富集,已经在海水淡化、透析、过滤、气体分离和能量转化等领域得到广泛的应用,并且在页岩气开采和碳捕获等新兴领域也获得大量的研究关注。目前所有膜都表现出渗透性(离子或分子通量)和选择性(不同成分的输运差异)的制约:提高膜材料的渗透性往往带来膜选择性的下降;高选择性的膜材料难以实现高渗透性。这成为膜领域的关键共性问题之一。

针对上述挑战,厦门大学能源学院的碳材料研究团队通过制备二维片层排布与离子跨膜输运方向一致的氧化石墨烯膜(Vertically-oriented graphene oxide, V-GO,图1),获得具有高渗透性的膜材料。通过与目前被广泛研究的氧化石墨烯膜(Horizontally stacked graphene oxide, H-GO)对比,发现在相同测试条件下,V-GO在保持高选择性的同时,离子输运速率比H-GO高出三个数量级。在反向电渗析的测试中,该材料获得高于目前所有多孔膜材料的性能指标。

1 V-GO的制备工艺和过程


分子动力学模拟和理论分析揭示了离子在V-GO中快速输运的原因(图2)。贯穿的直孔道极大地缩短了离子跨膜传输路径;垂直排布的片层结构提供了较低的进入势垒和更大的入口面积。该研究揭示了二维片层排布方向对离子输运性质的决定性影响,为高性能的纳米结构设计,以及化学检测、离子分离、催化和能量转化等领域的研究带来启发。

2 V-GO中离子快速输运的微观机理


该工作由厦门大学和北京大学合作完成。厦门大学能源学院硕士生张振坤是文章的第一作者,厦门大学能源学院是第一作者单位。研究工作得到北京大学王宇钢教授和刘峰研究员的指导和支持。

全文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000286


(曹留烜)