据OFweek锂电网2015年5月14日讯 为了更快、更持久的净水，科学家们将石墨烯这种超薄超强碳片作成超薄膜来滤除污染物，快速净化大量水体。
　　石墨烯的特殊性能使它成为理想的过滤膜或海水淡化膜。但是该应用中存在一大缺陷：由于将石墨烯制成单层原子超薄膜的过程极为细致，在制备过程中极有可能会造成材料的破损，从而导致污染物泄露。而现在，工程师们已经设计出方法来修补这些漏洞。
　　麻省理工学院、橡树岭国家实验室、法赫德国王石油与矿业大学的工程师们制定了一种利用化学沉积及聚合技术来修补上述漏洞的方法。然后他们利用该团队之前所研发的技术制备了具有均匀微孔的石墨烯薄膜，这些孔小到仅允许水分子通过。

　　将这两种技术相结合，研究人员制备出约有一美分大小且无缺陷的石墨烯薄膜。薄膜大小具有重要意义，因为如果是作为滤膜使用的话，石墨烯薄膜必须制成数厘米及以上大小。
　　在实验中，研究人员让水通过已经过缺陷修补和致孔处理过的石墨烯薄膜，结果发现通过该膜的水流速度堪比目前的海水淡化膜，而且该膜能够过滤大部分的大分子污染物如硫酸镁、葡聚糖等。
　　麻省理工学院机械工程系副教授Rohit Karnik说，该团队的研究结果表明首次成功封填石墨烯膜的缺陷。上述结果发表在纳米快报（NanoLetters）杂志上。
　　“至少在实验室水平上，我们能封堵石墨烯薄膜的缺陷，使其能够在宏观尺度上实现分子过滤，而这在之前是无法实现的，”Karnik说。“如果我们控制得当的话，之后甚至无需缺陷修补这一步骤。不过这还无法实现，因为目前不存在完美无缺的石墨烯，总是需要修修补补。这两个（技术）是制造过滤膜的例子。”
　　该论文的第一作Sean O'Hern，是麻省理工学院研究生，曾任研究助理。而该校研究生Doojoon Jang，前研究生Suman Bose，教授Jing Kon均对该论文做出贡献。
　　巧妙的转移
　　“目前用来海水淡化的膜都相当厚，大约200纳米左右”，O'Hern说道。“而利用石墨烯薄膜的好处就是，该膜厚度仅为3埃米，比现有膜薄约600倍，在相同面积下这将提高流速。”
　　在过去的7年时间里，O'Hern与Karnik一直在探索石墨烯作为滤膜的可能性。在2009年该团队开始利用石墨烯来制备薄膜，由于金属铜能支持石墨烯以大范围生长，故他们所使用的石墨烯是生长在铜上的。但铜是不能透水的，因此还需要将该石墨烯薄膜再转移到后续制备的多孔基材上。
　　然而O'Hern观察到转移过程会对石墨烯薄膜造成损伤。而且他还发现，石墨烯原料当中的杂质也会使石墨烯在生长过程中产生固有缺陷。
　　堵漏石墨烯
　　为了解决上述问题，该团队提出了一种方法来先解决固有缺陷，再处理转移过程造成的缺陷。研究人员采用“原子层沉积”技术处理固有缺陷，他们将石墨烯薄膜放在真空室中，在含有铪氧化物的环境中施以脉冲。通常情况下，铪氧化物不与石墨烯发生反应。然而一旦石墨烯中存在缺陷，由于缺陷处的高表面能，铪氧化物就会粘在该处，填补该缺陷。
　　经过几轮沉积后，研究人员发现沉积的铪氧化物成功填补了该石墨烯膜的纳米级固有缺陷，但是若利用沉积方法修补转移过程造成的缺陷，通常这类缺陷是固有缺陷的数百倍，则太耗费时间。
　　相反，O'Hern与同事想出第二种方法来修补这种缺陷。该方法被称为“界面聚合法”，通常被用在薄膜合成过程中。在填补了固有缺陷之后，他们将该膜浸没在两种溶剂界面处：水浴和与水不互溶的有机溶剂浴。
　　研究人员将两种能相互反应生成尼龙的分子分别溶解到以上两种溶剂中。O'Hern一旦将该石墨烯膜放到溶液界面处，他发现只有在破损处才会形成尼龙。这是因为石墨烯不透水，只有在破损处上述两种分子才能相互接触，然后反应生成尼龙，有效封堵该处的缺陷。
　　采用他们去年研发出的技术——该团队在石墨烯膜上刻蚀出均匀微孔，该孔能拦截大分子，仅允许水分子通过。他们实验了几种含有不同分子的水，其中还包括盐，结果发现该膜能阻隔90%的大分子。然而，盐通过该膜的速度要快于水分子。
　　尽管Karnik认为该石墨烯膜的缺陷封堵技术和渗透率还有待提高，但初步测试表明石墨烯可作为潜在的过滤膜替代物。
　　“如果进展顺利，该技术能经受得住现实世界的不同测试要求的话，该种石墨烯膜将会在海水淡化和纳滤领域产生极大影响。”Karnik说，“但是在精细化工或生物样品处理领域，该膜同样大有作为。这是首次报道有厘米级可针对各种分子的石墨烯滤膜，这令人十分振奋。”