石墨烯或成清理核廢料的完美利器

文/華凌

石墨烯或成清理核廢料的完美利器

文/華凌

約兩個月前，諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆透露，為避免與很多人的研究擠在一起，他正在尋找目前石墨烯研究尚未涉及的新領域。新年伊始，翻看最新一期《科學》雜志刊載的論文，撲面而來是由海姆帶領的曼徹斯特大學一支研究團隊在石墨烯應用方面的新探索——有關“石墨烯簡化生產重水并有助清理核廢料”的消息。

中國科學院院士、北京大學化學與分子工程學院教授劉忠范博士、中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春博士，以及素有“中國石墨烯產業奠基人”之稱的馮冠平教授為這一新的研究成果作出解讀及點評。

石墨烯膜猶如一個篩子

在這項研究中，曼徹斯特大學的研究團隊，采用石墨烯制膜濾出不同的氫同位素——氘和氚，大大簡化重水的生產過程，并有助于清理核廢料，有望制備節能、高效和價廉的理想過濾器。

對于氫核聚變而言，氫的同位素——氘（又稱重氫）是用作熱核反應的重要能源，在分析和化學追蹤技術中也被廣泛使用。氘的氧化物即重水，在鈾核裂變中可做為減速劑，由此在核電站運行中需要成千上萬噸重水。氚是氫最重的同位素，其原子含有1個質子和兩個中子，具有放射性，在核裂變工廠作為發電副產品須被安全去除。未來核技術的發展將基于這兩個重同位素的核聚變。

安德烈在論文中稱，由石墨烯制成的薄膜可作為一個篩子，從氫的同位素氘較重的原子核中分離質子。

曼大研究人員測試了氘的原子核，可以通過石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。雖然現有理論不能預測兩個同位素的滲透有何差異，而他們充分預計出氘核可以輕松通過。

研究人員驚奇地發現，氘不僅能夠被一個原子厚的膜有效篩選分離，而且這一過程效率很高。這一發現使得單層石墨烯和氮化硼，對豐富的氘和氚混合物充當分離膜很具吸引力。

有望成為理想的過濾器

目前，用于生產重水的分離技術需要相當多的能源消耗，并且在科學和工業上存在一些重大問題。而現在采用石墨烯有望使這一過程更有效率。

據物理學家組織網1月5日報道，采用這種石墨烯膜，可能意味著核電站生產重水的過程會減少10倍的能量消耗，而且過程更簡化、花費更便宜。

此外，研究人員發現，這種分離是完全可升級的。他們利用化學氣相沉積（CVD）的石墨烯，建立了厘米大小的設備從氘和氫混合物中有效泵出氫。

此論文的第一作者、曼大博士后研究員馬塞洛洛薩達·伊達爾戈博士說：“這是首次證明在室溫條件下區分亞原子粒子的第一膜。現在，我們發現它是一個完全可擴展的技術，希望能很快找到實際應用的方法。”

論文共同作者伊琳娜教授說，“我們驚訝地發現，一種膜可用于分離單獨的亞原子粒子。建立這個設置非常簡單，希望不僅在分析和化學示蹤技術上看到這些過濾器的應用，還能有助于清理源自核廢料中的放射性氚。”

中國業界專家如何點評

在看到外媒報道這一消息之后，中國石墨烯產業界一線專家學者紛紛熱議，十分關注。

劉忠范院士對此研究成果點評道：“非常有創意！人們已經知道只有質子能夠穿透石墨烯，而現在進一步發現只有最輕的氫同位素質子能夠穿過，這是一個新的發現，并可用在重水分離上，對于核廢料的處理也將是更為節能高效的濃縮方法。盡管目前只是演示性的工作，但未來有著巨大商業化潛力。不過，實際的石墨烯和氮化硼并沒有那么完美，有很多結構缺陷，大一點的東西也會穿過。這也許是未來在研究中需要努力突破的。”

李義春博士指出，“感覺這項研究和石墨烯海水淡化的原理差不多，利用了石墨烯的吸附和過濾特性，未來將是一個嶄新的應用領域。”

曾任深圳清華大學研究院創始院長、江南石墨烯研究院名譽理事長的馮冠平教授說，“理論上這一研究能做到的話還是不錯的，涉及到把石墨烯膜用于核廢料處理上，把原來的生產重水流程大大簡化。不過現在僅是論文階段，未來能否在實際中發揮作用還有待觀望。”