低能重离子辐照制备石墨烯亚纳米孔及其在海水淡化中的应用

Because of its unique advantages,graphene with sub-nanometer porous have made great achievements in scientific research including molecular recognition, desalination and gas separation,and have attracted much attention from many research units all over the world.The key technical problem is how to fabricate the high quality nanopores on graphene with high effectiveness and controllability.The application project is aimed at the desalination application of seawater,controllable fabrication of sub-nanometer porous in graphene using low energetical heavy ion irradiation technology and the related physical problem. At the initial stage, we should systematically study the structures , the production efficienncy and the physical mechanism of generated defects especially in the defect clusters. On this basis, We can effectively prepare the sub-nanometer porous in graphene under control by optimizing the ion irradiation parameters, selecting the appropriate experimental program. In the end,We could study the transport law of electrolyte solution across the sub-nanometer pores driven by pressure and the selectivity between different ions / water molecules through the nanopores,explore the its feasibility in the desalination industry.The research of this application project will greatly promote the application of energy ion technology in two-dimensional materials, which has important basic research significance and application value.

石墨烯纳米孔材料因其独特的优势，近年来在分子识别、海水淡化以及气体分离等诸多领域获得重要进展，受到了国内外众多研究单位的高度重视。如何高效、可控的在石墨烯上制备高品质纳米孔是上述应用的关键问题。本申请项目以海水淡化应用为目的，研究利用低能重离子辐照技术在石墨烯上可控制备亚纳米孔的方法及相关物理问题。首先，结合离子辐照实验与计算机模拟，系统深入地研究低能重离子在石墨烯中产生缺陷的结构、效率等规律及物理机制，特别关注缺陷团的产生规律；在此基础上，通过优化离子辐照参数，选择合适的实验方案，发展高效、可控在石墨烯上制备亚纳米孔的方法；利用制备的石墨烯纳米孔材料，研究压力驱动下电解质溶液在亚纳米孔中输运的规律，特别是不同离子/水分子通过纳米孔的选择性，探索其在海水淡化工业中应用的可行性。本项目研究工作的开展，将极大的促进载能离子技术在二维材料中的应用，具有重要的基础研究意义和应用价值。

以石墨烯为代表的二维纳米多孔材料由于其超高的水通量、优异的机械强度和稳定的化学特性被国内外研究者誉为下一代海水淡化分离膜，近年来在海水淡化、物质分离、渗透能收集和纳米流体等诸多领域都取得了十分重要的进展，表现出巨大的应用潜力。石墨烯本身具有物质不透过性，因此如何高效可控地在石墨烯上制备出符合要求的高品质亚纳米孔是上述应用的关键所在。. 本项目以低能重离子辐照技术为核心手段，研究了其在石墨烯上可控制备高品质亚纳米孔的方法及相关物理问题，并将所制备的亚纳米多孔石墨烯应用在海水淡化相关领域，取得的主要成果包括：1）综述了二维材料上纳米孔制备技术的最新进展，强调各种制孔方法的全面理解和相互比较，重点关注纳米孔的特性与形成过程，提供根据需求选择合适制孔方法的思路，指出制备高品质二维纳米孔的机遇与挑战，并发现离子束辐照是一种潜力巨大的可能的二维材料亚纳米孔制备技术；2）利用分子动力学计算机模拟手段证明载能离子辐照石墨烯可以直接在其上引入亚纳米孔。通过改变入射离子的能量可以实现对亚纳米孔平均直径的调控，获得的孔径分布很窄，并系统深入地研究了亚纳米孔产生的相关物理机制；3）优化离子辐照实验参数并成功在实验上制备出了石墨烯亚纳米孔，研究了海水淡化应用中若干种阳离子的相对选择性，发现并解释了水溶液中的离子脱水过程对这个选择性起主要影响作用；4）利用离子辐照手段制备了高品质的石墨烯亚纳米孔及一种石墨烯反向电渗析装置，具有超高的能量转换效率和输出功率密度，并研究了其中相关的物理问题和机制。. 本项目的研究成果对于二维材料上纳米孔的制备和广泛应用具有十分重要的意义，特别是对高效便捷地制备高密度窄孔径分布的二维亚纳米孔具有巨大价值，有助于进一步提高和控制石墨烯纳米孔的离子选择性，也对于制备和发展高性能石墨烯亚纳米孔渗透能收集发电器意义重大。