約兩個月前，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆在接受科技日報記者獨(dú)家專訪時透露，為避免與很多人的研究擠在一起，他正在尋找目前石墨烯研究尚未涉及的新領(lǐng)域。新年伊始，翻看最新一期《科學(xué)》雜志刊載的論文，撲面而來是由海姆帶領(lǐng)的曼徹斯特大學(xué)一支研究團(tuán)隊在石墨烯應(yīng)用方面的新探索——有關(guān)“石墨烯簡化生產(chǎn)重水并有助清理核廢料”的消息。

1月6日，記者第一時間采訪了中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授劉忠范博士、中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春博士，以及素有“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)奠基人”之稱的馮冠平教授為這一新的研究成果作出解讀及點評。

石墨烯膜猶如一個篩子

在這項研究中，曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊，采用石墨烯制膜濾出不同的氫同位素——氘和氚，大大簡化重水的生產(chǎn)過程，并有助于清理核廢料，有望制備節(jié)能、高效和價廉的理想過濾器。

對于氫核聚變而言，氫的同位素——氘（又稱重氫）是用作熱核反應(yīng)的重要能源，在分析和化學(xué)追蹤技術(shù)中也被廣泛使用。氘的氧化物即重水，在鈾核裂變中可做為減速劑，由此在核電站運(yùn)行中需要成千上萬噸重水。氚是氫最重的同位素，其原子含有1個質(zhì)子和兩個中子，具有放射性，在核裂變工廠作為發(fā)電副產(chǎn)品須被安全去除。未來核技術(shù)的發(fā)展將基于這兩個重同位素的核聚變。

安德烈在論文中稱，由石墨烯制成的薄膜可作為一個篩子，從氫的同位素氘較重的原子核中分離質(zhì)子。

曼大研究人員測試了氘的原子核，可以通過石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。雖然現(xiàn)有理論不能預(yù)測兩個同位素的滲透有何差異，而他們充分預(yù)計出氘核可以輕松通過。

研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，氘不僅能夠被一個原子厚的膜有效篩選分離，而且這一過程效率很高。這一發(fā)現(xiàn)使得單層石墨烯和氮化硼，對豐富的氘和氚混合物充當(dāng)分離膜很具吸引力。

有望成為理想的過濾器

目前，用于生產(chǎn)重水的分離技術(shù)需要相當(dāng)多的能源消耗，并且在科學(xué)和工業(yè)上存在一些重大問題。而現(xiàn)在采用石墨烯有望使這一過程更有效率。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)1月5日報道，采用這種石墨烯膜，可能意味著核電站生產(chǎn)重水的過程會減少10倍的能量消耗，而且過程更簡化、花費(fèi)更便宜。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種分離是完全可升級的。他們利用化學(xué)氣相沉積（CVD）的石墨烯，建立了厘米大小的設(shè)備從氘和氫混合物中有效泵出氫。

此論文的第一作者、曼大博士后研究員馬塞洛洛薩達(dá)·伊達(dá)爾戈博士說：“這是首次證明在室溫條件下區(qū)分亞原子粒子的第一膜?，F(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)它是一個完全可擴(kuò)展的技術(shù)，希望能很快找到實際應(yīng)用的方法?！?/p>

論文共同作者伊琳娜教授說，“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，一種膜可用于分離單獨(dú)的亞原子粒子。建立這個設(shè)置非常簡單，希望不僅在分析和化學(xué)示蹤技術(shù)上看到這些過濾器的應(yīng)用，還能有助于清理源自核廢料中的放射性氚。”

中國業(yè)界專家如何點評

在看到外媒報道這一消息之后，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)界一線專家學(xué)者紛紛熱議，十分關(guān)注。科技日報記者就此進(jìn)行了采訪。

劉忠范院士在接受科技日報記者采訪時，對此研究成果點評道：“非常有創(chuàng)意！人們已經(jīng)知道只有質(zhì)子能夠穿透石墨烯，而現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)只有最輕的氫同位素質(zhì)子能夠穿過，這是一個新的發(fā)現(xiàn)，并可用在重水分離上，對于核廢料的處理也將是更為節(jié)能高效的濃縮方法。盡管目前只是演示性的工作，但未來有著巨大商業(yè)化潛力。不過，實際的石墨烯和氮化硼并沒有那么完美，有很多結(jié)構(gòu)缺陷，大一點的東西也會穿過。這也許是未來在研究中需要努力突破的。”

李義春博士指出，“感覺這項研究和石墨烯海水淡化的原理差不多，利用了石墨烯的吸附和過濾特性，未來將是一個嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域?！?/p>

曾任深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng)始院長、江南石墨烯研究院名譽(yù)理事長的馮冠平教授說，“理論上這一研究能做到的話還是不錯的，涉及到把石墨烯膜用于核廢料處理上，把原來的生產(chǎn)重水流程大大簡化。不過現(xiàn)在僅是論文階段，未來能否在實際中發(fā)揮作用還有待觀望?！?/p>

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