自2004年發現石墨烯(Graphene) 以來，石墨烯就一直被認為是一種奇妙的材料。碳的一種同素異形體由一層排列在二維蜂窩狀晶格中的原子組成，因此越來越多地用於製造可充電電池。但是，最近，它已成功用於非常不同的目的。布法羅大學(The University at Buffalo) 的工程師最近發表了一篇關於3D列印石墨烯氣凝膠新工藝(graphene aerogels) 的論文，該工藝可用於過濾污染的水。該研究的作者包括Nirupam Aich，Nano。Arvid Masud和Chi Zhou持有這項研究中所述氣凝膠的專利，“新興研究者系列：用於去除水污染物的3D列印石墨烯-生物聚合物氣凝膠：概念驗證”。(“Emerging investigator series: 3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concept,”) 並且目前正在尋找工業合作夥伴來將該工藝商業化。
為了正確理解這項研究的原理，首先必須了解石墨烯和氣凝膠的特性。如前所述，石墨烯是一種由元素碳形成的納米材料，由單層碳原子組成。由於石墨烯只是單層，因此被認為是世界上最薄的材料。令其與眾不同的是，儘管材料薄且輕，但其抗拉強度卻高達130 GPa –與抗拉強度為310至690 MPa的鋼相比。它也是導電的，柔性的並且幾乎是透明的。另一方面，氣凝膠是輕質的，高度多孔的固體。實際上，這些固體由超過99％的空氣或孔組成，使它們成為全世界最輕，密度最低的固體。然而，氣凝膠也是堅固而有彈性的。因此，當您將這兩個令人難以置信的發現結合在一起時，結果使您無話可說也就不足為奇了：最終的組合比空氣輕7.5倍，密度比水小1,000倍，使之成為世界上最輕的材料。
Here you can see a 3D printer printing the aerograph plate on the left. On the right is the aerogel that filters polluted water. (Photo Credits: Environmental Science: Nano)
據研究人員稱，用於石墨烯氣凝膠的3D列印新工藝有望克服水處理的兩個關鍵障礙：可擴展性和製造足夠穩定的氣凝膠以供重複使用。與納米片相反，按比例縮放氣凝膠的能力消除了以前大規模生產氣凝膠的問題。反過來，這使得該方法適合用於大型設施，例如廢水處理廠。此外，氣凝膠在過濾時不會在水中留下任何殘留物。研究合著者Nirupam Aich指出，“我們不僅可以使用這些氣凝膠來包含石墨烯顆粒，還可以使用可以用作催化劑的納米金屬顆粒。未來的目標是將納米金屬顆粒嵌入這些氣凝膠的壁和表面，它們不僅能夠降解或破壞生物污染物，而且還能降解或破壞化學污染物。”
在已經進行的測試中，重新配置的氣凝膠被證明是成功的：成功過濾掉了經常困擾水系統的重金屬，例如鉛和鉻，以及有機染料和溶劑，例如己烷，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運行了10次有機溶劑。每次運行時，氣凝膠再次能夠去除100％的溶劑。最終結果是氣凝膠充當了篩子，過濾掉了“不良”物質，僅允許純淨水通過。如果您想了解更多信息，可以在此處訪問完整的研究。
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