Advanced Functional Materials:分子擴散可驅動石墨烯膜運動

【引言】

隨著化石能源的枯竭和環境污染的日益加劇，能源問題成為當前社會面臨的一個巨大挑戰。與傳統的產能方式相比，從風，水流等流體中獲取能量具有更加廣闊的使用前景。然而，這類產能方式往往需要依靠大型的外部設備和相應的環境條件，使得其利用受到了諸多限制。因此，利用微型器件實現流體中的能量轉化開始受到研究者的廣泛關注。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工程大學的范壯軍（通訊作者）團隊通過有機溶液-水兩相擴散驅動的石墨烯膜運動，實現了分子擴散能向機械能的轉化。該工作制備了高疏水性且內部具有獨特微納米通道的石墨烯膜，將有機溶液-水兩相擴散約束為單向擴散，同時這一擴散導致的不平衡力矩能夠使石墨烯膜（面積：2 cm²）快速地旋轉，轉速可達300 rpm。此外，該工作還通過持續滴加乙醇實現了石墨烯膜的持續轉動，并利用堆疊石墨烯膜推動了磁舟作直線運動，磁舟質量（12 g）遠超于石墨烯膜自身的質量（33.5 mg）。這一工作的重要意義在于為實現清潔，可持續的能源獲取方式提供了一種新的研究思路。相關研究成果“Molecular Diffusion-Driven Motion in 2D Graphene Film”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一為分子擴散驅動石墨烯膜運動示意圖

圖二為石墨烯膜形貌及性能表征

擴散驅動石墨烯膜運動示意圖（a-c）氧化石墨烯漿料、石墨烯膜涂制工藝及其照片

（d）不同形狀的石墨烯膜

（e）石墨烯膜的良好彎曲性

（f）石墨烯膜的拉伸測試曲線

（g）石墨烯膜的SEM圖

（h）石墨烯膜的氮氣吸脫附曲線

（f）氧化石墨烯膜及石墨烯膜的XRD圖

圖三為石墨烯膜運動機理研究

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（a）石墨烯膜在水面上的隨機運動

（b）石墨烯膜在水面下方及水-空氣界面處的運動

（c）石墨烯膜內吸附的乙醇分子擴散示意圖

（d）石墨烯膜對水和乙醇的潤濕性

（e）石墨烯“紙鶴”

圖四為石墨烯膜旋轉實驗

（a）石墨烯膜旋轉演示

（b）不同形狀石墨烯膜旋轉速度對比

（c）不平衡的力及力矩驅動石墨烯膜轉動機理示意圖

圖五為不同因素對石墨烯膜轉速的影響

（a）石墨烯膜吸附溶液及旋轉過程演示

（b）石墨烯膜轉速隨乙醇-水體積比變化曲線

（c）石墨烯膜轉速隨膜厚變化曲線

（d）吸附不同溶液的石墨烯膜轉速對比

圖六為石墨烯膜直線推動及持續轉動實驗

（a）石墨烯膜推動磁舟直線運動示意圖

（b）持續滴加乙醇實現石墨烯膜持續轉動示意圖

（c）光能參與實現乙醇循環利用及石墨烯膜持續轉動示意圖

視頻演示：

【小結】

本文通過制備高疏水性及具有內部微納米通道的二維石墨烯膜，發現了分子擴散驅動石墨烯膜運動的現象，實現了分子擴散能向機械能的轉化。分子擴散時導致的不平衡力矩可以使石墨烯膜高速轉動，轉速可達300 rpm。此外，吸附有機溶液的石墨烯膜也可以推動磁舟作直線運動。因此，這一驅動機制可進一步應用到新型產能等領域。

文獻鏈接：“Molecular Diffusion-Driven Motion in 2D Graphene Film”(Advanced Functional Materials. Doi.org/10.1002/adfm.201707053)

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