材制视角 | 妙用多多的石墨烯
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就在前不久,石墨烯的海水淡化技术取得突破性进展,海水淡化计术关乎人类未来生存,让我对石墨烯产生浓厚的兴趣,于是多方了解写下了这篇对石墨烯的简单科普。
2004年,石墨烯首次出现在实验室,它的出现引起了科学界的巨大震动,其优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳米加工、能源、生物医学等领域具有重要的应用前景。因此在2010安德烈·海姆(Andre Geiom)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)荣获诺贝尔物理学奖。
01 石墨烯的出现·
其实石墨烯出现并没有特别复杂，安得烈经过长期研究，决定探索单层石墨的功效，于是他便把这个任务交给了手下的研究生。磨个几毫米还说得过去，这这这磨到原子级别有点过分了吧。但没想功夫不负有心人到真让人给“铁柱磨成针”了，而且单层石墨烯接下来的性质检测就让他们更加震惊，石墨烯一跃成为未来革命性材料，飞上枝头变凤凰。石墨烯一层层也被一层层揭开面纱。
02 不得不考虑的成本·
目前石墨烯生产成本有高有低，一克四五十人民币，甚至更多，当然便宜的也有，但质量就无法言喻了。“自下而上”的机械剥离法，经济成本低，成为高质量批量生产石墨烯的目标方法之一。沈志刚(Shen Zhigang)详细综合【1】讲明了大量制备方法这里就不一一列举了。
03 石墨烯的出现·
最先要说的是电池领域，目前此方面的技术发展已经初现成效，主要用处是加入到电池负极材料，极大提高电子流通率，同时也提高了电池容量。石墨烯电池有远着高于其他电池的性能：
（1）是目前最好产品储电量的三倍
（2）充电五分钟电动车可行驶一千公里
（3）重量轻，成本低生产此产品公司表示比锂电池成本低77%，并且有着极高的寿命。
十全十美自然说不太过去，石墨烯目前成本还不好说，曾经达到过5000人民币每克，目前石墨烯成本在一克500到2000人民币。
04 石墨烯膜·
第二个应用方面就是文章开头所说的“石墨烯膜基海水淡化技术”。因为碳纳米结构的独特性和可调性，为识别和应对环境问题提供了多种解决方案，而我们的“石墨烯膜基海水淡化技术”包括最先进的反渗透技术已经被证明此法比热脱盐法更有效。这说明什么？解决人类淡水危机的工程将在不久将来迎来春天。
这项研究以淡水是人类和其他生命赖以生存的最宝贵的资源之一，但由于人口增长，气候变化，和水污染，它的可用性越来越低。尽管有丰富的海水作为替代水资源，海水淡化通常受到生产率低、能耗相对高的限制。膜基海水淡化技术包括最先进的反渗透(RO)技术，已被证明比热脱盐方法更有效。传统的聚合反渗透膜仍然存在这样的缺陷，如污垢阻力低，选择性差，抗污稳定性低，抗化学/热降解差。因此，寻找和探索具有更好的渗透性，选择性，化学稳定性，并能同时抗污的新材料一直是科学家们不断努力的方向。新型三种类型膜在解决水渗透性和选择性的问题上已显示出巨大的潜力，它们是超薄的纳米孔膜，如多孔石墨烯、人工水膜通道，如碳纳米管(CNTs)和层堆叠带有二维水通道的膜，包括氧化石墨烯(GO)和二硫化钼。
理论上，原子厚度的膜可以导致很高透水率，由于水通量与膜厚度成反比关系，在这些材料中，石墨烯材料表现出耐污性、耐降解性、超高机械性能、抗撕裂的强度，可调的小孔隙尺寸，可调的渗透率，化学稳定性和可伸缩的合成方法，这可能会带来具有成本效益的生产。由于这些优势，石墨烯基膜被认为是用于下一代海水淡化系统很有前景的候选者。然而，纳米多孔石墨烯在海水中的应用仍处于研究阶段，由于很难在单层上钻取半径均小于0.45 nm的无缺陷亚纳米孔而脱盐。造成这种情况的主要原因是需要均匀的亚纳米级孔径的孔隙分布，这决定了孔径的大小对纳米多孔石墨烯的选择性，对其提出了严峻的挑战，纳米孔膜的制备是关键因素，这阻碍了多孔石墨烯膜技术的大规模应用。但众多分离膜仍存在渗透性与脱盐率的矛盾问题，即要想达到高脱盐率，往往要牺牲水渗透性，难以实现两全其美，这个问题也一直困扰着科学家们。
膜的选择性依赖于膜的渗透性和选择性之间的矛盾，决定了膜分离技术的发展。近日，江苏大学和美国加州大学伯克利分校等单位的研究人员（张忠强、李少凡、丁建宁等）发现了一个以前未知的机制，使用有孔的旋转纳米多孔石墨烯膜时打破了渗透性和选择性间的矛盾，结果表明，旋转石墨烯膜具有几乎100%的盐排斥率，即使孔隙尺寸大于水合离子，且表面在液体/石墨烯界面滑移，旋转膜可同时实现超选择性和前所未有的高渗透率。(作者提出了“时间选择性”的概念，将非传统选择性归结于离子通过孔的穿透时间和离子滑过孔所需的旁路时间的差异。新发现的时间选择性克服了孔隙大小的限制，提出了一种新的理论，为设计高性能膜奠定了基础。)这项研究工作以“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal selectivity that breaks the permeability-selectivity trade-off”为题发表在顶级期刊《Science Advances》上。【2】
这项研究打破了高渗水低脱盐率，低渗水高脱盐率的矛盾，使得高渗水，高脱盐两全。进一步革新了下一代海水淡化技术。
经历多年发展，石墨烯在智能材料方面也有不少利用，石墨烯的导电率和稳定性有着广泛的适用性。仍有不少的利用这里就不一一例举了。
毫无疑问从上述文章已经可以看到石墨烯的巨大潜力，更深层面来说纳米材料将会引领未来，而石墨烯只是其中一个代表，科技的发展需要全人类的推动，求同存异，合作交流，是我们前进的高速列车。作为处于时代潮头的大学生们，在这个民族复兴的关键节点上，希望各位有识之士肩负起自己责任，为了梦想，为了我们共同的美好的未来，奔跑吧！嘶吼吧！
参考：
搜狗百科----石墨烯
公众号：材料科学与工程
《Science》子刊：石墨烯再显神通！海水淡化技术取得重要突破
揭秘：石墨烯是这样被首次实现的！全球科学家给跪了………
迈进石墨烯大门，请从这十篇综述开始
钜大锂电：石墨烯电池优缺点分析
【1】Yi, M. & Shen, Z. G. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. Journal of Materials Chemistry A, 3, 11700-11715 (2015).
【2】论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaba9471
撰 稿 人： 科技协会科创部 张浩泽
责任编辑： 科技协会科创部 马浩然
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总 编 辑： 李晓萌
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