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石墨烯的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用
石墨烯的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，無疑是具有劃時(shí)代的意義，但它在水凈化上的應(yīng)用，你又知道多少呢
水資源的污染已經(jīng)岌岌可危，我們急需一條快速解決水污染的捷徑。十年前，當(dāng)人們開始利用納米技術(shù)解決水問題，普遍的水過濾產(chǎn)品尺寸較小，這讓我一度懷疑將納米技術(shù)用于水凈化領(lǐng)域的前景。
幸運(yùn)的是，近來石墨烯在各種領(lǐng)域包括水凈化領(lǐng)域進(jìn)行不斷的發(fā)展。諾貝爾獎(jiǎng)得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，雖然在電子領(lǐng)域，缺陷是需要避免的，但是在水凈化領(lǐng)域，石墨烯的缺陷可以實(shí)現(xiàn)除了水蒸氣之外的高度不透水性。雖然精確控制孔的大小十分困難，但很多人都嘗試將石墨烯應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。
1、田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的石墨烯膜
田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的研究人員利用新技術(shù)制造納米多孔石墨烯膜，該石墨烯膜是在單層石墨烯上制備納米孔。該技術(shù)通過化學(xué)沉積法(CVD)，在氧等離子體上生長石墨烯，并將一些碳原子從晶格中拔出，來創(chuàng)建孔洞。與氧等離子體接觸的時(shí)間越長，石墨烯的孔越大。
如圖所示，紅色為石墨烯(蜂窩結(jié)構(gòu)放大圓圈)，黃色為硅原子，橙色的補(bǔ)丁為殘余聚合物。圖片來源：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室能源部。麻省理工大學(xué)(MIT)的研究人員采用另一種方法，將鎵離子束轟擊石墨烯表面來制備孔洞，然后通過腐蝕精確控制孔隙的大小。類似地，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員也利用該方法，通過缺陷進(jìn)行水的運(yùn)輸。
石墨烯薄膜也可以應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。雖然開發(fā)出健全、低成本、高效的石墨烯過濾系統(tǒng)還有許多路要走，但是基于石墨烯可以進(jìn)行水的傳輸，我們別無選擇。
2、華盛頓大學(xué)石墨烯生物泡沫
華盛頓大學(xué)的程師們研發(fā)出一種利用太陽能凈化水的石墨烯生物泡沫，其結(jié)構(gòu)非常簡單，石墨烯生物泡沫凈化水的過程就像海綿吸水的過程一樣，將水蒸發(fā)到上層，將雜質(zhì)留下，收集可以飲用的新鮮水。這種生物泡沫可以鋪設(shè)在污水或鹽壩池塘，利用太陽的能量將水凈化至可飲用的程度。
這種薄膜是由細(xì)菌產(chǎn)生的兩層納米纖維構(gòu)成的生物膜。其中下層含有原始纖維素，上層含有可以吸收太陽能產(chǎn)生熱量的氧化石墨烯。石墨烯生物泡沫凈化水的過程就像海綿吸水的過程，可以將底部污水抽上來，然后在上層蒸發(fā)——留下來的就是各種懸浮顆粒或鹽分、頂部出來的則是凝結(jié)的淡水。
華盛頓大學(xué)的Singamaneni教授解釋道：石墨烯生物膜凈化水的過程非常簡單，亮點(diǎn)是由細(xì)菌產(chǎn)生的納米纖維素網(wǎng)具有將水從下層將水蒸發(fā)到上層。這一過程同時(shí)最大限度的減少熱量流失，擁有使全部的熱量集中在一點(diǎn)的優(yōu)良性能。
研究員稱制造這種雙層結(jié)構(gòu)的石墨烯生物膜是整個(gè)實(shí)驗(yàn)最具創(chuàng)造性的地方。類似于牡蠣生成個(gè)珍珠的過程，在一個(gè)核上不斷覆蓋流體涂層，最終形成硬化層，細(xì)菌產(chǎn)生的納米纖維素纖維層則是被氧化石墨烯薄片顆粒覆蓋。
華盛頓大學(xué)的研究生指出：當(dāng)培養(yǎng)纖維素的細(xì)菌時(shí)，我們將氧化石墨烯薄片加入到培養(yǎng)基中。氧化石墨烯薄片就會(huì)嵌入纖維素，形成含有氧化石墨烯薄片的層。在這個(gè)過程中我們會(huì)清除氧化石墨烯薄片和不斷添加新的培養(yǎng)基，這樣就會(huì)形成泡沫層，層與層之間的界面很堅(jiān)固。
研究員指出這種材料質(zhì)量輕、成本低，適合大量生產(chǎn)，盡管結(jié)構(gòu)簡單，但石墨烯泡沫材料形成一種無需能量和管道的水凈化系統(tǒng)。纖維素可以大批量生產(chǎn)，氧化石墨烯薄片非常的便宜，可以成噸的生產(chǎn)。生物泡沫的生產(chǎn)系統(tǒng)也包括其他納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，可以用來殺菌、凈化水，保障飲用水的安全烯的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，無疑是具有劃時(shí)代的意義，但它在水凈化上的應(yīng)用，你又知道多少呢
水資源的污染已經(jīng)岌岌可危，我們急需一條快速解決水污染的捷徑。十年前，當(dāng)人們開始利用納米技術(shù)解決水問題，普遍的水過濾產(chǎn)品尺寸較小，這讓我一度懷疑將納米技術(shù)用于水凈化領(lǐng)域的前景。
幸運(yùn)的是，近來石墨烯在各種領(lǐng)域包括水凈化領(lǐng)域進(jìn)行不斷的發(fā)展。諾貝爾獎(jiǎng)得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，雖然在電子領(lǐng)域，缺陷是需要避免的，但是在水凈化領(lǐng)域，石墨烯的缺陷可以實(shí)現(xiàn)除了水蒸氣之外的高度不透水性。雖然精確控制孔的大小十分困難，但很多人都嘗試將石墨烯應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。
1、田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的石墨烯膜
田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的研究人員利用新技術(shù)制造納米多孔石墨烯膜，該石墨烯膜是在單層石墨烯上制備納米孔。該技術(shù)通過化學(xué)沉積法(CVD)，在氧等離子體上生長石墨烯，并將一些碳原子從晶格中拔出，來創(chuàng)建孔洞。與氧等離子體接觸的時(shí)間越長，石墨烯的孔越大。
如圖所示，紅色為石墨烯(蜂窩結(jié)構(gòu)放大圓圈)，黃色為硅原子，橙色的補(bǔ)丁為殘余聚合物。圖片來源：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室能源部。麻省理工大學(xué)(MIT)的研究人員采用另一種方法，將鎵離子束轟擊石墨烯表面來制備孔洞，然后通過腐蝕精確控制孔隙的大小。類似地，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員也利用該方法，通過缺陷進(jìn)行水的運(yùn)輸。
石墨烯薄膜也可以應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。雖然開發(fā)出健全、低成本、高效的石墨烯過濾系統(tǒng)還有許多路要走，但是基于石墨烯可以進(jìn)行水的傳輸，我們別無選擇。
2、華盛頓大學(xué)石墨烯生物泡沫
華盛頓大學(xué)的程師們研發(fā)出一種利用太陽能凈化水的石墨烯生物泡沫，其結(jié)構(gòu)非常簡單，石墨烯生物泡沫凈化水的過程就像海綿吸水的過程一樣，將水蒸發(fā)到上層，將雜質(zhì)留下，收集可以飲用的新鮮水。這種生物泡沫可以鋪設(shè)在污水或鹽壩池塘，利用太陽的能量將水凈化至可飲用的程度。
這種薄膜是由細(xì)菌產(chǎn)生的兩層納米纖維構(gòu)成的生物膜。其中下層含有原始纖維素，上層含有可以吸收太陽能產(chǎn)生熱量的氧化石墨烯。石墨烯生物泡沫凈化水的過程就像海綿吸水的過程，可以將底部污水抽上來，然后在上層蒸發(fā)——留下來的就是各種懸浮顆粒或鹽分、頂部出來的則是凝結(jié)的淡水。
華盛頓大學(xué)的Singamaneni教授解釋道：石墨烯生物膜凈化水的過程非常簡單，亮點(diǎn)是由細(xì)菌產(chǎn)生的納米纖維素網(wǎng)具有將水從下層將水蒸發(fā)到上層。這一過程同時(shí)最大限度的減少熱量流失，擁有使全部的熱量集中在一點(diǎn)的優(yōu)良性能。
研究員稱制造這種雙層結(jié)構(gòu)的石墨烯生物膜是整個(gè)實(shí)驗(yàn)最具創(chuàng)造性的地方。類似于牡蠣生成個(gè)珍珠的過程，在一個(gè)核上不斷覆蓋流體涂層，最終形成硬化層，細(xì)菌產(chǎn)生的納米纖維素纖維層則是被氧化石墨烯薄片顆粒覆蓋。
華盛頓大學(xué)的研究生指出：當(dāng)培養(yǎng)纖維素的細(xì)菌時(shí)，我們將氧化石墨烯薄片加入到培養(yǎng)基中。氧化石墨烯薄片就會(huì)嵌入纖維素，形成含有氧化石墨烯薄片的層。在這個(gè)過程中我們會(huì)清除氧化石墨烯薄片和不斷添加新的培養(yǎng)基，這樣就會(huì)形成泡沫層，層與層之間的界面很堅(jiān)固。
研究員指出這種材料質(zhì)量輕、成本低，適合大量生產(chǎn)，盡管結(jié)構(gòu)簡單，但石墨烯泡沫材料形成一種無需能量和管道的水凈化系統(tǒng)。纖維素可以大批量生產(chǎn)，氧化石墨烯薄片非常的便宜，可以成噸的生產(chǎn)。生物泡沫的生產(chǎn)系統(tǒng)也包括其他納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，可以用來殺菌、凈化水，保障飲用水的安全
