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分子扩散可驱动石墨烯膜运动

导读: 随着化石能源的枯竭和环境污染的日益加剧,能源问题成为当前社会面临的一个巨大挑战。与传统的产能方式相比,从风,水流等流体中获取能量具有更加广阔的使用前景。然而,这类产能方式往往需要依靠大型的外部设备和相应的环境条件,使得其利用受到了诸多限制。

随着化石能源的枯竭和环境污染的日益加剧,能源问题成为当前社会面临的一个巨大挑战。与传统的产能方式相比,从风,水流等流体中获取能量具有更加广阔的使用前景。然而,这类产能方式往往需要依靠大型的外部设备和相应的环境条件,使得其利用受到了诸多限制。因此,利用微型器件实现流体中的能量转化开始受到研究者的广泛关注。

成果简介

近日,哈尔滨工程大学的范壮军(通讯作者)团队通过有机溶液-水两相扩散驱动的石墨烯膜运动,实现了分子扩散能向机械能的转化。该工作制备了高疏水性且内部具有独特微纳米通道的石墨烯膜,将有机溶液-水两相扩散约束为单向扩散,同时这一扩散导致的不平衡力矩能够使石墨烯膜(面积:2 cm2)快速地旋转,转速可达300 rpm。此外,该工作还通过持续滴加乙醇实现了石墨烯膜的持续转动,并利用堆叠石墨烯膜推动了磁舟作直线运动,磁舟质量(12 g)远超于石墨烯膜自身的质量(33.5 mg)。这一工作的重要意义在于为实现清洁,可持续的能源获取方式提供了一种新的研究思路。相关研究成果“Molecular Diffusion-Driven Motion in 2D Graphene Film”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图文导读

图一为分子扩散驱动石墨烯膜运动示意图

图二为石墨烯膜形貌及性能表征

扩散驱动石墨烯膜运动示意图(a-c)氧化石墨烯浆料、石墨烯膜涂制工艺及其照片

(d)不同形状的石墨烯膜

(e)石墨烯膜的良好弯曲性

(f)石墨烯膜的拉伸测试曲线

(g)石墨烯膜的SEM图

(h)石墨烯膜的氮气吸脱附曲线

(f)氧化石墨烯膜及石墨烯膜的XRD图

图三为石墨烯膜运动机理研究


(a)石墨烯膜在水面上的随机运动

(b)石墨烯膜在水面下方及水-空气界面处的运动

(c)石墨烯膜内吸附的乙醇分子扩散示意图

(d)石墨烯膜对水和乙醇的润湿性

(e)石墨烯“纸鹤”

图四为石墨烯膜旋转实验

(a)石墨烯膜旋转演示

(b)不同形状石墨烯膜旋转速度对比

(c)不平衡的力及力矩驱动石墨烯膜转动机理示意图

图五为不同因素对石墨烯膜转速的影响

(a)石墨烯膜吸附溶液及旋转过程演示

(b)石墨烯膜转速随乙醇-水体积比变化曲线

(c)石墨烯膜转速随膜厚变化曲线

(d)吸附不同溶液的石墨烯膜转速对比

图六为石墨烯膜直线推动及持续转动实验

(a)石墨烯膜推动磁舟直线运动示意图

(b)持续滴加乙醇实现石墨烯膜持续转动示意图

(c)光能参与实现乙醇循环利用及石墨烯膜持续转动示意图

视频演示:


小结

本文通过制备高疏水性及具有内部微纳米通道的二维石墨烯膜,发现了分子扩散驱动石墨烯膜运动的现象,实现了分子扩散能向机械能的转化。分子扩散时导致的不平衡力矩可以使石墨烯膜高速转动,转速可达300 rpm。此外,吸附有机溶液的石墨烯膜也可以推动磁舟作直线运动。因此,这一驱动机制可进一步应用到新型产能等领域。

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