石墨烯納米材料在船舶制造中的應用

王成營, 羅 輝

(中海工業(江蘇)有限公司， 江蘇 揚州 225211 )

0 引 言

當今，海洋運輸已成為國際貿易物流的重要組成部分，海洋開發成為人類獲取資源的重要途徑。近些年，隨著我國的航運業、船舶及海工制造業大力發展，這一領域對我國經濟的促進作用日益明顯。隨著競爭日趨激烈，能否進一步提高船舶制造技術、降低營運成本成為未來發展的關鍵，同油耗下提高航速、降低內部消耗等都是可以考慮的途徑。主要介紹石墨烯納米材料的特殊性能及其在船舶制造中的應用。

1 石墨烯促進納米輸運

石墨烯(見圖1)是碳的一種同素異形體，由曼徹斯特大學的Geim教授在2004年通過膠帶從石墨塊體上得到[1]。由于其具有很強的機械強度、很高的導熱系數、完美的導電性能、不溶于無機溶液，并對氣體和溶液具有不滲透性等特性，得到了廣泛關注。目前，石墨烯作為一種新型納米材料，廣泛用于導熱材料、導電材料、能源存儲、物質分離和生物分子檢測。在此，主要討論這種新型材料在船舶制造方面的應用。

圖1 石墨烯分子結構

石墨烯是一種二維單層石墨晶體，其剖面內碳原子構成蜂窩狀的六元環，C-C鍵長0.14 nm。研究發現,石墨烯表面具有很強的疏水性，水分子不能在石墨烯表面自由鋪展，而在距其表面一定距離位置處形成由大量水分子聚集而成的吸附層，濃度高200 m以上[2]。此吸附層內部，水分子會排列成有序的結構[3]，當通過加壓使液體運動時，石墨烯表面液體會有很長的滑移長度，液體在其表面的滑移速度能達到體態速度的許多倍，表明石墨烯水界面具有很小的粘滯阻力。基于此特性，再加上其具有很強的抗腐蝕性，石墨烯可以作為涂層材料用于船身。這樣，當船舶漂浮航行于海水中時，海水和船身之間會形成一個疏水薄層，不僅可以減小船舶與海水的摩擦阻力，進而減小能源的消耗，并且能有效抗海水腐蝕。而在甲板上使用此涂層，能夠使進入甲板的水輕易滑動，不會造成海水聚集。

2 船用淡水的方式及優缺點

眾所周知，船舶運行中，無論是設備冷卻還是船員生活需求都離不開淡水。然而，船舶經常難以實現備置足夠的淡水供船員和設備使用，特別是對于非內河船舶。制淡裝置解決了飲用水不足的問題。目前，海水制淡主要通過兩個途徑，即蒸發式制淡和反滲透式制淡，兩種方式各有優缺點。此處探討使用多孔石墨烯材料進行海水淡化。

3 多孔石墨烯的離子選擇性

單層石墨烯具有很強的機械強度，并且液體分子和離子均不能滲透其表面。通過運用透射電子顯微鏡和紫外線照射、離子刻蝕等方法，不同大小的納米孔可以在單層石墨烯上加工，進而得到多孔石墨烯。當多孔石墨烯浸入到溶液中時，在納米孔兩端施加壓力差，驅動溶液中的溶液產生定向移動；由于有孔的限制，溶液中的離子不能通過納米孔，而被阻擋在孔的一端，通過的水分子則可以被富集起來。石墨烯具有單層原子的厚度，施加在孔兩端的壓強不至于太大，海水淡化所需能源大大減少[4]。

石墨烯具有很多衍生物，都具有各自的特性，并在特定領域有特定應用[5]。氧化石墨烯就是其中之一，其表面具有親水性，受表面的羥基作用，當氧化石墨烯做成多孔材料用于海水淡化時，可以大大提高水分子的通過率，提高淡化效率。Cohen-Tanugi等[6]使用分子動力學模擬，通過修飾單層石墨烯納米孔邊緣碳原子的親水性與疏水性發現，當邊緣碳原子親水后，石墨烯納米孔對離子和水分子的通過影響很大，會使水分子大量通過而離子通過相對較少，進而實現海水淡化。

與石墨烯衍生物相仿，石墨烯納米孔可以通過化學修飾在納米孔的邊緣碳原子上鏈接一些基團[7-8]。這些基團往往帶有電荷，或能改變納米孔的親疏水性能。借助這些基團，能夠實現納米孔對離子的選擇通過性，當在納米孔兩端施加電壓后，溶液中的離子能夠進行定向移動，使離子和水分子分離，進而實現海水淡化。

基于此種納米材料，構想一種可以用在船舶上的便攜式海水淡化裝置。通過使用以多孔石墨烯為材料做成的過濾裝置，在外加壓強作用下，可以便捷可控地實現海水的淡化，做到隨取隨用。

4 結 語

隨著船舶制造行業競爭加劇，低成本、高技術造船已成為所有造船企業未來的發展之路。作為一種新型的納米材料，石墨烯具有優越的性能，隨著科學研究的發展和應用技術的提高，其在優化船舶使用性能方面將發揮很好的促進作用。

參考文獻：

[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2] Joseph S, Aluru N R. Why Are Carbon Nanotubes Fast Transporters of Water[J]. Nano Letters, 2008, 8(2): 452-458.

[3] He Z, Zhou J, Lu X, et al. Ice-Like Water Structure in Carbon Nanotube (8,8) Induces Cationic Hydration Enhancement[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(21): 11412-11420.

[4] Zhao S, Xue J,Kang W. Ion Selection of Charge-Modified Large Nanopores in a Graphene Sheet[J]. The Journal of Chemical Physics, 2013, 139(11): 114702-114708.

[5] Chen D, Zhang H, Liu Y, et al. Graphene and Its Derivatives for the Development of Solar Cells, Photoelectrochemical, and Photocatalytic Applications[J]. Energy & Environmental Science, 2013, 6(5): 1362-1387.

[6] Cohen-Tanugi D, Grossman J C. Water Desalination Across Nanoporous Graphene[J]. Nano Letters, 2012, 12(7): 3602-3608.

[7] Bayley H. Nanotechnology: Holes with an Edge[J]. Nature, 2010, 467(7312): 164-165.

[8] Mishra A K, Ramaprabhu S. Functionalized Graphene Sheets for Arsenic Removal and Desalination of Sea Water[J]. Desalination, 2011, 282(1): 39-45.