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3D打印石墨烯气凝胶的新工艺克服关键障碍 可用于水处理
材料内参 / 时间:2021-04-17 18:28:22

贤集网4月15日讯:石墨烯擅长去除水中的污染物,但这种神奇材料在商业上还不可行。这种情况可能会改变。

在最近的一项研究中,布法罗大学的工程师报告了一种3D打印石墨烯气凝胶的新工艺,他们说这克服了两个关键障碍,可扩展性和创建一种足够稳定的材料版本,以重复使用,用于水处理。

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大家的目标是安全去除水中的污染物,而不释放任何有问题的化学残留物,该研究的共同编辑、UB大学工程与应用科学学院环境工程助理教授Nirupam Aich博士说,大家创造的气凝胶在放入水处理系统时能够保持其结构,它们可以应用于不同的水处理应用。

这项研究:“3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concept”发表在《环境科学:纳米》杂志的新兴研究者系列上。Aich实验室的前学生Arvid Masud博士是主要编辑;北京大学工业与系统工程副教授周驰博士是本文编辑之一。

气凝胶是一种轻质、高多孔的固体,它是用气体取代凝胶中的液体而形成的,这样产生的固体与原来的固体大小相同。它们的结构结构类似于聚苯乙烯泡沫塑料:多孔性强,重量轻,但强度高,弹性好。

石墨烯是一种由单质碳构成的纳米材料,由单层碳原子排列在重复的六边形晶格中组成。

为了制造出合适浓度的石墨烯墨水,研究人员向大自然求助。他们向其中添加了两种生物聚合物:聚多巴胺(一种合成材料,通常被称为PDA,类似于贻贝的黏附分泌物)和牛血清白蛋白(一种来自奶牛的蛋白质)。

在测试中,重新配置的气凝胶去除了某些重金属,如铅和铬,这些重金属困扰着全国的饮用水系统。它还能去除有机染料,如阳离子亚甲基蓝和阴离子埃文斯蓝,以及有机溶剂,如正己烷、庚烷和甲苯。

为了证明气凝胶的再利用潜力,研究人员在气凝胶中使用了10次有机溶剂。每次,它都清除了100%的溶剂。研究人员还报告说,在第三个循环后,气凝胶捕捉亚甲基蓝的能力下降了2-20%。

Aich说,气凝胶还可以按比例放大,因为与纳米片不同,气凝胶可以打印出更大的尺寸。他说,这消除了以前大规模生产中固有的问题,并使该工艺可用于大型设施,如污水处理厂。他补充说,气凝胶可以从水中去除,并在其他地方重复使用,而且它们不会在水中留下任何残留物。

Aich是UB与匹兹堡大学合作项目的一部分,该项目由UB化学教授Diana Aga博士领导,旨在寻找降解每氟和多氟烷基物质(PFAS)的方法和工具。PFAS是一种难以分解的有毒物质,被称为“永远的化学物质”。Aich注意到这与他在3D气凝胶上的工作相似之处,他希翼这两个项目的结果可以结合在一起,创造出更有效的去除水中污染物的方法。

大家不仅可以使用这些气凝胶来包含石墨烯颗粒,还可以使用纳米金属颗粒作为催化剂,Aich说,未来的目标是将纳米金属颗粒嵌入气凝胶的墙壁和表面,它们不仅能够降解或破坏生物污染物,还能破坏化学污染物。

Aich、Chi和Masud持有研究中描述的石墨烯气凝胶的专利申请,他们正在寻找工业合作伙伴将这一过程商业化。


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