神户大学 薄膜图
纳米通道诱导水渗透
离子很难进入纳米通道，因此它们不容易透过膜
学分:神户大学 神户大学膜和薄膜技术研究中心松山秀夫教授的研究小组成功开发了一种新型脱盐膜
他们通过在多孔聚合物膜表面层压二维碳材料来实现这一点
脱盐膜用于从海水中生产淡水
为了解决全球淡水资源不足的问题，研究人员正在努力开发脱盐膜，这种膜不仅比目前使用的膜渗透水更快，而且能有效地去除盐分，从而可以实现更有效的低能耗脱盐系统
在这项研究中，氧化石墨烯纳米片(一种二维纳米材料)在经过化学还原处理后堆叠在多孔膜的表面上，使得能够形成大约50纳米(nm)的脱盐膜层
开发的膜具有高效脱盐的潜力，因为它可以控制纳米片之间的间隙和纳米片表面的电荷
希望这项研究将有助于未来海水淡化膜的应用和实施
这些研究结果发表在2020年11月18日的《材料化学杂志》上
要点 研究人员成功开发了一种使用二维纳米片的新型脱盐膜
氧化石墨烯纳米片的化学还原处理增强了纳米片之间的π- π堆积
π- π堆叠提高了纳米片层叠膜的稳定性，并使得操纵每个纳米片之间的层间间隙成为可能
在纳米片之间引入了带电荷基团和共轭π体系的卟啉基平面分子
这导致氧化石墨烯和平面化合物的负电荷之间的静电排斥，使研究人员能够控制阴离子在纳米通道内的运动
通过本研究开发的纳米片层压膜能够将氯化钠渗透抑制95%
未来，这些研究成果将有助于开发新的高性能海水淡化膜技术
研究背景 97
地球上5%的水是海水，只有2
5%是淡水
在这个百分比内，只有0
01%的淡水资源可以很容易地被人类利用
然而，人口继续逐年增加
因此，据预测，几年后，世界三分之二的人口将无法充分获得淡水
全球缺水是人类面临的最严重问题之一
因此，通过将地球上丰富的海水转化为淡水来获取必要资源的技术至关重要
蒸发方法已被用于将海水转化为淡水，但是它们需要大量的能量来蒸发海水并去除盐(脱盐)
另一方面，膜分离方法提供了一种低能耗的替代方法；它们通过过滤海水中的水并去除盐分来生产淡水
使用膜从海水中生产淡水的方法已经被实施，然而随着脱盐膜发展到目前为止，在渗透速度和脱盐能力之间总是有一个折衷
因此，用新材料开发一种革命性的脱盐膜是至关重要的，以解决这种权衡，并使以更高的效率脱盐海水成为可能
通过本研究开发的纳米片复合膜的扫描电子显微镜图像
学分:神户大学膜工程集团 研究方法 这个研究小组开发了一种高度功能化的脱盐膜，通过将膜与一个碳原子厚度的二维碳材料层压在一起
这些二维碳材料是氧化石墨烯纳米片，它们被化学还原以增强π-π相互作用
通过在多孔膜表面涂覆嵌入卟啉基平面分子(带电荷基团和共轭π体系)的纳米片涂层，研究小组能够构建约50纳米厚的超薄脱盐膜层
该层显示出高离子阻挡功能，因为纳米通道的尺寸(每个纳米片之间的间隙)可以控制在1毫米以内
此外，纳米片叠层膜中的纳米通道之间的间隙由于片之间的强π- π堆积而表现出连续的水稳定性，这表明它可以被长期利用的可能性
此外，即使在20巴的压力下，脱盐功能也没有损失
研究人员发现，通过纳米片表面上的静电排斥，有效地抑制了离子在所开发的纳米片层叠膜内部的转移
当纳米通道的宽度被适当控制时，这种静电排斥是非常有效的
对于本研究中使用的纳米片材料，纳米通道的宽度可以通过控制化学还原过程和卟啉基平面分子的嵌入率来限制
氯化钠是海水离子的主要成分，特别难以防止它渗透到膜中
然而，在最佳条件下生产的纳米片层压膜能够阻挡约95%的氯化钠
进一步发展 通过本研究开发的二维纳米片叠层膜是通过调节氧化石墨烯片的还原和平面分子的嵌入比例来制备的，这反过来使得纳米片之间的层间空间和静电排斥效应得到控制
除了脱盐膜，该技术还可应用于各种电解质分离膜的开发
使用分离膜的低能耗脱盐技术对于减少水资源短缺是不可或缺的
人们希望这项技术将有助于解决全世界水资源枯竭的问题
接下来，研究小组将试图进一步提高所开发的膜的高功能性，以便其能够实施
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