说说石墨烯作为水过滤材料那点儿事儿

樊华

滑铁卢大学化学系

关键词：石墨烯、水过滤、官能团、离子

但凡跟材料沾点儿边儿的人都会知道大名鼎鼎的石墨烯。对，就是这个在2010年拿了诺贝尔物理学奖的材料。因为它独特的结构，也就是由sp²杂化的碳原子组成的六边形蜂窝状的薄膜，被科学家们研究用于各个领域，当然也包括作为水过滤的材料。

图一：石墨烯应用于水过滤示意图。

石墨烯的可塑性很强，它可以制备成二维的薄膜或者是三维块体气凝胶。今天我们就简单聊聊石墨烯薄膜的过滤原理。作为纳米级的过滤薄膜，物质的滤过能力首先取决于尺寸大小。举个例子，一个水合离子的尺寸大小为6.7埃米（1埃米=0.1纳米），单层水分子的大小为2.8埃米，石墨烯层间距为3.5埃米，在没有其他作用力的情况下，离子无法通过薄膜，而水分子可以通过。这就是石墨烯薄膜通过蒸发水达到脱盐效果的基本原理。其次，当石墨烯孔洞带有电荷之后情况会变得复杂。根据电荷相互作用的原理，我们可以简单的理解为异性相吸同性相斥。这样，当石墨烯孔洞带负电时，带正电的水合离子会倾向于更快的通过薄膜，而带负电的离子则会因为同性相斥的原理降低通过流速。这时我们需要考虑两个特殊的情况，当孔洞尺寸小于水合离子的尺寸时，离子是可以通过的，因为带电的孔洞能够削弱带相反电荷离子的能量壁垒；当孔洞的尺寸略大于水合离子时，离子会因为被相同电荷之间互斥的作用力而被阻挡在膜外。第三，当在石墨烯孔洞表面修饰一些官能团之后，官能团会和某些水合离子有特殊的结合作用力，从而阻止该离子的通过。例如，当石墨烯被氧化，表面被修饰的羧基（-COOH）会和铜离子有很强的相互作用，这时铜离子就会被阻挡，进而达到过滤的效果。

图二：氧化石墨烯薄膜过滤盐溶液示意图。

虽然我们可以根据以上基本原理来设计不同功能的过滤膜，然而被修饰过的石墨烯薄膜也存在急需解决的难题——“膨胀”。浸泡在水中的薄膜，层间距会从3.4埃米膨胀至3到4纳米，这会使得材料失去它的过滤功能。因此，控制层间距以及增加薄膜材料在水中的稳定性是石墨烯薄膜应用于海水淡化、污水处理的主要研究方向。

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