申文杰

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水在二維g-C3N4納米分離膜片層間的超快傳輸

申文杰

(中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

無(wú)機(jī)膜分離是環(huán)境、能源等領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于解決人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的許多重大問(wèn)題都有重要意義，而提高膜分離效率則是該技術(shù)的關(guān)鍵所在。原則上，降低膜厚可提高通量，但同時(shí)會(huì)引起膜的機(jī)械性能和選擇性變差等一系列問(wèn)題。納米材料制備技術(shù)及功能調(diào)控為構(gòu)筑新型高效分離膜提供了契機(jī)。研究者發(fā)現(xiàn)水分子在碳納米管中的傳質(zhì)速率比經(jīng)典流體力學(xué)計(jì)算值高出三個(gè)數(shù)量級(jí)：這是由于憎水性碳納米管管壁與水分子間的作用力很小，管壁與流體分子相互作用，從而使流體傳質(zhì)表現(xiàn)出滑流特征1。另外，水分子在二維石墨烯納米片以及二維氧化石墨烯納米片層間的傳質(zhì)也表現(xiàn)出類(lèi)似的傳質(zhì)規(guī)律2,3。這種納米尺度上的傳質(zhì)規(guī)律超出了經(jīng)典流體力學(xué)理論的解釋范圍；其中，二維納米片層間的傳質(zhì)規(guī)律更有待進(jìn)一步研究。

最近華南理工大學(xué)王海輝教授課題組與德國(guó)漢諾威大學(xué)Caro教授課題組合作，研究了多種流體在二維g-C3N4納米分離膜片層間的傳質(zhì)規(guī)律，相關(guān)研究成果發(fā)表在上4。他們首次將g-C3N4納米片堆疊制備成二維層狀膜，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水分子在該二維膜中的傳質(zhì)速率超快。他們進(jìn)一步使用分子動(dòng)力學(xué)(MD)手段對(duì)該納米流體現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算模擬。結(jié)果表明：隨著傳質(zhì)距離的增加，水分子在二維g-C3N4納米片層中的傳質(zhì)速率幾乎保持不變，而非極性正己烷分子的傳質(zhì)速率則迅速衰減；這是由于水分子和g-C3N4納米片的相互作用力很弱，傳質(zhì)阻力非常小而導(dǎo)致。他們還發(fā)現(xiàn)水分子在g-C3N4納米片層間流動(dòng)時(shí)的速度分布近似平臺(tái)狀，該特征明顯區(qū)別于經(jīng)典流體力學(xué)Hagen-Poiseuille方程的拋物線狀速度分布。這些實(shí)驗(yàn)和模擬手段相互補(bǔ)充，揭示了水分子在g-C3N4納米片層間，因傳質(zhì)阻力小而帶來(lái)的超快傳輸現(xiàn)象。

該研究成果加深了人們對(duì)納米尺度上流體傳質(zhì)規(guī)律的理解，對(duì)高性能二維納米孔道分離膜的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

(1) Holt, J. K.; Park, H. G.; Wang, Y.; Stadermann, M.; Artyukhin, A. B.; Grigoropoulos, C. P.; Noy, A.; Bakajin, O.2006,, 1034. doi: 10.1126/science.1126298

(2) Xiong, W.; Liu, J. Z.; Ma, M.; Xu, Z.; Sheridan, J.; Zheng, Q.2011,, 056329. doi: 10.1103/PhysRevE.84.056329

(3) Nair, R. R.; Wu, H. A.; Jayaram, P. N.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K.2012,, 442. doi: 10.1126/science.1211694

(4) Wang, Y.; Li, L.; Wei, Y.; Xue, J.; Chen, H.; Ding, L.; Caro, J.; Wang, H.2017, doi: 10.1002/anie.201701288

Ultrafast Water Transport through Two-Dimensional g-C3N4Nanosheets Membrane

SHEN Wenjie

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10.3866/PKU.WHXB201706232