研究 | 形狀可控的石墨烯水凝膠！用于水的高效吸附凈化
發布時間：
2023-02-21
國家石墨烯研究所（NGI）的Aravind Vijayaraghavan教授領導的團隊在《分子液體雜志》上發表文章稱，他們利用渦環效應的一種變化，制造出了由石墨烯制成的三維粒子，具有許多有趣的形狀。這些顆粒被證明在吸附水中的污染物方面非常有效。
研究人員已經表明，這些石墨烯顆粒的形成是由粘度、表面張力、慣性和靜電等不同力之間的復雜相互作用控制的。Vijayaraghavan教授說：“我們已經進行了一項系統的研究，以了解和解釋顆粒形成中涉及的各種參數和力的影響。然后，通過定制這一過程，我們開發了用于吸附凈化水中的污染物非常有效的顆粒。
氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一種功能化形式，可在水中形成穩定的分散體，具有許多獨特的性質，包括作為液晶。單個GO薄片只有一個原子層厚度，然而，為了有效運用它，它們需要組裝成復雜的三維形狀，以保持其高表面積和表面化學性質。GO的這種多孔三維組件稱為氣凝膠，當充滿水時，它們稱為水凝膠。
研究人員使用叫做CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）的液晶材料將GO薄片聚集成氧化石墨烯水凝膠的小顆粒，而無需將它們還原為石墨烯。這是通過將GO分散體以小液滴的形式滴入 CTAB 溶液中來實現的。當GO液滴撞擊CTAB溶液表面時，它們的行為與熱煙噴射撞擊冷空氣時的行為非常相似。由于兩種液體的密度和表面張力不同，GO液滴以環狀形式流入CTAB溶液。
通過控制這一過程的各種參數，研究人員已經制造出了球形(球)、環形(甜甜圈)和類似水母的中間形狀的粒子。這篇論文的主要作者、最近畢業的博士生 Yizhen Shao 博士說：“我們已經為這些形狀的形成開發了一個通用的相圖，基于四個無量綱數 - 韋伯數、雷諾茲數、Onhesorge數和韋伯數，分別代表慣性、粘性、表面張力和靜電力。這可以通過改變地層參數來精確控制顆粒形態。”研究人員使用高速攝影技術來捕捉這些粒子形狀的形成和演變，如視頻所示。
作者強調了這些顆粒在水凈化中的重要性。該論文的合著者、博士生Kaiwen Nie說：“我們可以調整這些顆粒中石墨烯薄片的表面化學性質，以從水中提取帶正電荷或負電荷的污染物。我們甚至可以通過適當地功能化石墨烯表面來提取不帶電的污染物或重金屬離子。
文獻信息：
Yizhen Shao et al, Tuneable electrohydrodynamics of core-shell graphene oxide vortex rings, Journal of Molecular Liquids (2023).
DOI: 10.1016/j.molliq.2023.121341
文章來源：公眾號【Carbontech】
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