Уникальные свойства графена делают его потенциально идеальной мембраной для фильтрации или опреснения воды. Но у его более широкого использования был один главный недостаток: изготовление мембран из слоев графена толщиной в один атом — это кропотливый процесс, который может разорвать тонкий материал и создать дефекты, через которые могут просачиваться загрязнения.Теперь инженеры Массачусетского технологического института, Окриджской национальной лаборатории и Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда (KFUPM) разработали процесс устранения этих утечек, заполнения трещин и закупорки отверстий с использованием комбинации методов химического осаждения и полимеризации.
Затем команда использовала процесс, который она разработала ранее, чтобы создать крошечные однородные поры в материале, достаточно маленькие, чтобы пропускать только воду.Объединив эти два метода, исследователи смогли сконструировать относительно большую бездефектную графеновую мембрану — размером примерно с пенни. Размер мембраны значителен: для использования в качестве фильтрующей мембраны графен должен быть произведен в масштабе сантиметров или больше.
В ходе экспериментов исследователи прокачивали воду через графеновую мембрану, обработанную с помощью процессов герметизации дефектов и образования пор, и обнаружили, что вода протекает со скоростью, сравнимой с нынешними мембранами для опреснения воды. Графен смог отфильтровать большинство загрязняющих веществ с крупными молекулами, таких как сульфат магния и декстран.Рохит Карник, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что результаты группы, опубликованные в журнале Nano Letters, представляют собой первый успех в устранении утечек графена.
«Мы смогли запечатать дефекты, по крайней мере, в лабораторном масштабе, чтобы реализовать молекулярную фильтрацию через макроскопическую область графена, что раньше было невозможно», — говорит Карник. «Если у нас будет лучший контроль процесса, возможно, в будущем нам даже не понадобится герметизация дефектов. Но я думаю, что очень маловероятно, что у нас когда-либо будет идеальный графен — всегда будет некоторая потребность в контроле утечек.
Эти два [ методы] являются примерами, которые позволяют осуществлять фильтрацию ".Шон О’Херн, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, является первым автором статьи.
Среди других участников — аспирант Массачусетского технологического института Дуджун Чан, бывший аспирант Суман Бозе и профессор Цзин Конг.Деликатный перевод«Современные типы мембран, которые могут производить пресную воду из соленой, довольно толстые, порядка 200 нанометров», — говорит О’Херн. «Преимущество графеновой мембраны в том, что вместо того, чтобы иметь толщину в сотни нанометров, мы порядка трех ангстрем — в 600 раз тоньше существующих мембран.
Это позволяет иметь более высокую скорость потока на той же площади».О’Херн и Карник исследовали потенциал графена как фильтрующей мембраны в течение последних нескольких лет. В 2009 году группа начала изготавливать мембраны из графена, выращенного на меди — металле, который поддерживает рост графена на относительно больших площадях. Однако медь непроницаема, поэтому группа должна перенести графен на пористую подложку после изготовления.
Однако О’Херн заметил, что этот процесс переноса приведет к разрыву графена. Более того, он наблюдал внутренние дефекты, возникающие в процессе роста, возможно, из-за примесей в исходном материале.Устранение утечек графена
Чтобы устранить утечки графена, команда разработала метод, позволяющий сначала бороться с меньшими внутренними дефектами, а затем с более крупными дефектами, вызванными переносом. Что касается внутренних дефектов, исследователи использовали процесс, называемый «осаждением атомного слоя», помещая графеновую мембрану в вакуумную камеру, а затем вводя в нее химическое вещество, содержащее гафний, которое обычно не взаимодействует с графеном. Однако, если химическое вещество входит в контакт с небольшим отверстием в графене, оно будет стремиться прилипнуть к этому отверстию, привлеченное более высокой поверхностной энергией области.Команда применила несколько раундов осаждения атомных слоев, обнаружив, что осажденный оксид гафния успешно заполнил собственные дефекты графена нанометрового масштаба.
Однако О’Херн понял, что использование того же процесса для заполнения гораздо больших отверстий и разрывов — порядка сотен нанометров — потребует слишком много времени.Вместо этого он и его коллеги разработали вторую технику для заполнения более крупных дефектов, используя процесс, называемый «межфазная полимеризация», который часто используется в мембранном синтезе.
Заполнив внутренние дефекты графена, исследователи погрузили мембрану на поверхность раздела двух растворов: водяной бани и органического растворителя, который, как и масло, не смешивается с водой.В двух растворах исследователи растворили две разные молекулы, которые могут реагировать с образованием нейлона. После того, как О’Герн поместил графеновую мембрану на поверхность раздела двух растворов, он заметил, что нейлоновые пробки образуются только в разрывах и отверстиях — областях, где две молекулы могут соприкасаться из-за разрывов в непроницаемом графене, — эффективно герметизируя остальные недочеты.Используя метод, который они разработали в прошлом году, исследователи вытравили крошечные однородные отверстия в графене — достаточно маленькие, чтобы пропускать молекулы воды, но не более крупные загрязнения.
В ходе экспериментов группа проверила мембрану с водой, содержащей несколько разных молекул, включая соль, и обнаружила, что мембрана отклоняет до 90 процентов более крупных молекул. Однако он пропускает соль быстрее, чем вода.Предварительные тесты показывают, что графен может быть жизнеспособной альтернативой существующим фильтрационным мембранам, хотя Карник говорит, что методы герметизации его дефектов и контроля его проницаемости потребуют дальнейших улучшений.«Опреснение воды и нанофильтрация — это большие области применения, в которых, если что-то получится и эта технология выдержит различные требования реальных испытаний, это окажет большое влияние», — говорит Карник. «Но можно также представить себе применение для тонкой химической или биологической обработки образцов, где эти мембраны могут быть полезны.
И это первый отчет о графеновой мембране сантиметрового масштаба, которая выполняет какой-либо вид молекулярной фильтрации. Это захватывающе».