石墨烯粉體

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3D打印石墨烯氣凝膠的新工藝克服關鍵障礙 可用于水處理

2021-04-22 16:20:07

石墨烯擅長去除水中的污染物,但這種神奇材料在商業上還不可行。這種情況可能會改變。
    在最近的一項研究中,布法羅大學的工程師報告了一種3D打印石墨烯氣凝膠的新工藝,他們說這克服了兩個關鍵障礙,可擴展性和創建一種足夠穩定的材料版本,以重復使用,用于水處理。

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    我們的目標是安全去除水中的污染物,而不釋放任何有問題的化學殘留物,該研究的共同作者、UB大學工程與應用科學學院環境工程助理教授Nirupam Aich博士說,我們創造的氣凝膠在放入水處理系統時能夠保持其結構,它們可以應用于不同的水處理應用。
    這項研究:“3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concept”發表在《環境科學:納米》雜志的新興研究者系列上。Aich實驗室的前學生Arvid Masud博士是主要作者;北京大學工業與系統工程副教授周馳博士是本文作者之一。
    氣凝膠是一種輕質、高多孔的固體,它是用氣體取代凝膠中的液體而形成的,這樣產生的固體與原來的固體大小相同。它們的結構結構類似于聚苯乙烯泡沫塑料:多孔性強,重量輕,但強度高,彈性好。

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    石墨烯是一種由單質碳構成的納米材料,由單層碳原子排列在重復的六邊形晶格中組成。
    為了制造出合適濃度的石墨烯墨水,研究人員向大自然求助。他們向其中添加了兩種生物聚合物:聚多巴胺(一種合成材料,通常被稱為PDA,類似于貽貝的黏附分泌物)和牛血清白蛋白(一種來自奶牛的蛋白質)。
    在測試中,重新配置的氣凝膠去除了某些重金屬,如鉛和鉻,這些重金屬困擾著全國的飲用水系統。它還能去除有機染料,如陽離子亞甲基藍和陰離子埃文斯藍,以及有機溶劑,如正己烷、庚烷和甲苯。
   為了證明氣凝膠的再利用潛力,研究人員在氣凝膠中使用了10次有機溶劑。每次,它都清除了100%的溶劑。研究人員還報告說,在第三個循環后,氣凝膠捕捉亞甲基藍的能力下降了2-20%。
    Aich說,氣凝膠還可以按比例放大,因為與納米片不同,氣凝膠可以打印出更大的尺寸。他說,這消除了以前大規模生產中固有的問題,并使該工藝可用于大型設施,如污水處理廠。他補充說,氣凝膠可以從水中去除,并在其他地方重復使用,而且它們不會在水中留下任何殘留物。
    Aich是UB與匹茲堡大學合作項目的一部分,該項目由UB化學教授Diana Aga博士領導,旨在尋找降解每氟和多氟烷基物質(PFAS)的方法和工具。PFAS是一種難以分解的有毒物質,被稱為“永遠的化學物質”。Aich注意到這與他在3D氣凝膠上的工作相似之處,他希望這兩個項目的結果可以結合在一起,創造出更有效的去除水中污染物的方法。
    我們不僅可以使用這些氣凝膠來包含石墨烯顆粒,還可以使用納米金屬顆粒作為催化劑,Aich說,未來的目標是將納米金屬顆粒嵌入氣凝膠的墻壁和表面,它們不僅能夠降解或破壞生物污染物,還能破壞化學污染物。
Aich、Chi和Masud持有研究中描述的石墨烯氣凝膠的專利申請,他們正在尋找工業合作伙伴將這一過程商業化。


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