水在二维g-C3N4纳米分离膜片层间的超快传输

申文杰



水在二维g-C3N4纳米分离膜片层间的超快传输

申文杰

(中国科学院大连化学物理研究所，催化基础国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

无机膜分离是环境、能源等领域的一项关键技术，对于解决人类可持续发展相关的许多重大问题都有重要意义，而提高膜分离效率则是该技术的关键所在。原则上，降低膜厚可提高通量，但同时会引起膜的机械性能和选择性变差等一系列问题。纳米材料制备技术及功能调控为构筑新型高效分离膜提供了契机。研究者发现水分子在碳纳米管中的传质速率比经典流体力学计算值高出三个数量级：这是由于憎水性碳纳米管管壁与水分子间的作用力很小，管壁与流体分子相互作用，从而使流体传质表现出滑流特征1。另外，水分子在二维石墨烯纳米片以及二维氧化石墨烯纳米片层间的传质也表现出类似的传质规律2,3。这种纳米尺度上的传质规律超出了经典流体力学理论的解释范围；其中，二维纳米片层间的传质规律更有待进一步研究。

最近华南理工大学王海辉教授课题组与德国汉诺威大学Caro教授课题组合作，研究了多种流体在二维g-C3N4纳米分离膜片层间的传质规律，相关研究成果发表在上4。他们首次将g-C3N4纳米片堆叠制备成二维层状膜，并通过实验发现水分子在该二维膜中的传质速率超快。他们进一步使用分子动力学(MD)手段对该纳米流体现象进行计算模拟。结果表明：随着传质距离的增加，水分子在二维g-C3N4纳米片层中的传质速率几乎保持不变，而非极性正己烷分子的传质速率则迅速衰减；这是由于水分子和g-C3N4纳米片的相互作用力很弱，传质阻力非常小而导致。他们还发现水分子在g-C3N4纳米片层间流动时的速度分布近似平台状，该特征明显区别于经典流体力学Hagen-Poiseuille方程的抛物线状速度分布。这些实验和模拟手段相互补充，揭示了水分子在g-C3N4纳米片层间，因传质阻力小而带来的超快传输现象。

该研究成果加深了人们对纳米尺度上流体传质规律的理解，对高性能二维纳米孔道分离膜的开发与应用具有重要的指导意义。

(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