科學家開發(fā)石墨烯氣凝膠顆粒，用于高效水凈化

在《分子液體雜志》上，由國家石墨烯研究所（NGI）的Aravind Vijayaraghavan教授領(lǐng)導的團隊利用渦旋環(huán)效應的變化，生產(chǎn)了由石墨烯制成的三維顆粒，具有許多有趣的形狀。同樣的效果用于產(chǎn)生煙圈，并負責保持蒲公英種子飛翔。這些顆粒也被證明在吸附水中的污染物方面非常有效，從而凈化了它。

研究人員已經(jīng)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(jīng)進行了一項系統(tǒng)的研究，以了解和解釋顆粒形成中涉及的各種參數(shù)和力的影響。然后，通過定制這一過程，我們開發(fā)了非常有效的顆粒，用于吸附凈化水中的污染物。

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(wěn)定的分散體，具有許多獨特的性質(zhì)，包括作為液晶。單個GO片薄一個原子，與人類頭發(fā)的厚度一樣寬。然而，為了有用，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(zhì)。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。

LGO特定形狀的GO-VR相圖。（a） GO-VR制造裝置的示意圖。（b） GO液滴穿透CTAB溶液并形成渦環(huán)的高速攝影圖像。（c） GO-VR甜甜圈、球形和水母形態(tài)的光學和SEM圖像。（d） 由LGO形成的GO-VR的形狀相圖（PD），其GO和CTAB濃度和沖擊高度各不相同。PD1的固定沖擊高度為1厘米，PD2的GO固定濃度為2毫克/毫升。PD3的CTAB固定濃度為4毫克/毫升。

研究人員使用第二種稱為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水中CTAB溶液來實現(xiàn)的。

當GO液滴撞擊CTAB溶液表面時，它們的行為與熱煙射到冷空氣時的行為非常相似。GO液滴以環(huán)形或環(huán)形線圈的形式流入CTAB溶液，因為兩種液體的密度和表面張力不同。

與LGO形成GO-VR。（a） -（d）LGO在不同條件下形成的GO-VR微粒撞擊階段的高速圖像。從左至右，地層參數(shù)為：1 cm，0.2 mg/mL CTAB中的2 mg/mL GO；在4 mg/mL CTAB中加入1 cm、2 mg/mL GO；15 mg/mL CTAB中的1 cm、4 mg/mL GO和4 mg/mL CTAA中的5 cm、2 mg/mL GO。（e） We’的動態(tài)相圖與LGO的Re繪制。（f） 碰撞階段不同條件下GO液滴形成的示意圖。（g） 和（h）分別針對LGO的Re和We繪制的Oh’的動態(tài)相圖。

LGO特定形狀的GO-VR相圖。（a） GO-VR制造裝置的示意圖。（b） GO液滴穿透CTAB溶液并形成渦環(huán)的高速攝影圖像。（c） GO-VR甜甜圈、球形和水母形態(tài)的光學和SEM圖像。（d） 由LGO形成的GO-VR的形狀相圖（PD），其GO和CTAB濃度和沖擊高度各不相同。PD1的固定沖擊高度為1厘米，PD2的GO固定濃度為2毫克/毫升。PD3的CTAB固定濃度為4毫克/毫升。

研究人員使用第二種稱為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水中CTAB溶液來實現(xiàn)的。

當GO液滴撞擊CTAB溶液表面時，它們的行為與熱煙射到冷空氣時的行為非常相似。GO液滴以環(huán)形或環(huán)形線圈的形式流入CTAB溶液，因為兩種液體的密度和表面張力不同，所以與LGO形成GO-VR。

（a） -（d）LGO在不同條件下形成的GO-VR微粒撞擊階段的高速圖像。從左至右，地層參數(shù)為：1 cm，0.2 mg/mL CTAB中的2 mg/mL GO；在4 mg/mL CTAB中加入1 cm、2 mg/mL GO；15 mg/mL CTAB中的1 cm、4 mg/mL GO和4 mg/mL CTAA中的5 cm、2 mg/mL GO。（e） We’的動態(tài)相圖與LGO的Re繪制。（f） 碰撞階段不同條件下GO液滴形成的示意圖。（g） 和（h）分別針對LGO的Re和We繪制的Oh’的動態(tài)相圖。

GO VR休息階段的圖像。注意，t=0對應于靜止階段的開始。（a） LGO形成的GO VRs的靜止階段，具有與圖2a-2d中的樣品相對應的不同形態(tài)。（b） 由MGO和SGO形成的GO VRs的靜止階段，具有與圖中的樣品相對應的不同形態(tài)。

通過控制這一過程的各種參數(shù)，研究人員產(chǎn)生了球體（球）、環(huán)形線圈（甜甜圈）和類似水母的中間形狀的顆粒。最近畢業(yè)的博士生、本文的主要作者邵一珍博士說：“我們已經(jīng)開發(fā)了一個通用相圖，用于形成這些形狀，基于四個無量綱數(shù) - 韋伯數(shù)，雷諾數(shù)，Onhesorge數(shù)和韋伯數(shù)，分別代表慣性，粘性，表面張力和靜電力。這可用于通過改變地層參數(shù)來精確控制顆粒形態(tài)。研究人員使用高速攝影來捕捉這些顆粒形狀的形成和演變 -如圖所示。

作者強調(diào)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(diào)整這些顆粒中石墨烯薄片的表面化學性質(zhì)，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?shù)毓δ芑┍砻鎭硖崛〔粠щ姷奈廴疚锘蛑亟饘匐x子。

審核編輯 ：李倩