水在二維g-C3N4納米分離膜片層間的超快傳輸

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

(中國科學院大連化學物理研究所，催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

無機膜分離是環境、能源等領域的一項關鍵技術，對于解決人類可持續發展相關的許多重大問題都有重要意義，而提高膜分離效率則是該技術的關鍵所在。原則上，降低膜厚可提高通量，但同時會引起膜的機械性能和選擇性變差等一系列問題。納米材料制備技術及功能調控為構筑新型高效分離膜提供了契機。研究者發現水分子在碳納米管中的傳質速率比經典流體力學計算值高出三個數量級：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，從而使流體傳質表現出滑流特征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也表現出類似的傳質規律2,3。這種納米尺度上的傳質規律超出了經典流體力學理論的解釋范圍；其中，二維納米片層間的傳質規律更有待進一步研究。

最近華南理工大學王海輝教授課題組與德國漢諾威大學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規律，相關研究成果發表在上4。他們首次將g-C3N4納米片堆疊制備成二維層狀膜，并通過實驗發現水分子在該二維膜中的傳質速率超快。他們進一步使用分子動力學(MD)手段對該納米流體現象進行計算模擬。結果表明：隨著傳質距離的增加，水分子在二維g-C3N4納米片層中的傳質速率幾乎保持不變，而非極性正己烷分子的傳質速率則迅速衰減；這是由于水分子和g-C3N4納米片的相互作用力很弱，傳質阻力非常小而導致。他們還發現水分子在g-C3N4納米片層間流動時的速度分布近似平臺狀，該特征明顯區別于經典流體力學Hagen-Poiseuille方程的拋物線狀速度分布。這些實驗和模擬手段相互補充，揭示了水分子在g-C3N4納米片層間，因傳質阻力小而帶來的超快傳輸現象。

該研究成果加深了人們對納米尺度上流體傳質規律的理解，對高性能二維納米孔道分離膜的開發與應用具有重要的指導意義。

(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