石墨烯作为过滤器可简化重水生产工艺

约两个月前，诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆在接受科技日报记者独家专访时透露，为避免与很多人的研究挤在一起，他正在寻找目前石墨烯研究尚未涉及的新领域。新年伊始，翻看最新一期《科学》杂志刊载的论文，扑面而来是由海姆带领的曼彻斯特大学一支研究团队在石墨烯应用方面的新探索——有关“石墨烯简化生产重水并有助清理核废料”的消息。

曼彻斯特大学诺贝尔奖得主安德烈爵士领导的研究小组发现，石墨烯膜从功能上说类似于一个筛子，可以分离氢核(质子)和比较重的氢同位素氘核。《科学》杂志及曼彻斯特大学官网刊登的论文称，核工业界使用石墨烯作为过滤器将在成本控制、核废物清理等领域发挥重大影响，“石墨烯可以简化重水生产工艺，并通过过滤氢的同位素以清理核废料”。

根据曼彻斯特大学透漏出来的更为详细的结论，这意味着相比传统方法，特种生产重水的能源密度程度、生产程序和成本都将降至原来的十分之一，而“现有的分离技术还会造成重大的科学和工业问题”。

2010年，瑞典皇家科学院授予安德烈爵士以及曼彻斯特大学的KonstantinNovoselov诺贝尔物理学奖，以表彰他们“关于二维石墨烯材料方面的突破性实验”。

石墨烯膜犹如一个筛子

在这项研究中，曼彻斯特大学的研究团队，采用石墨烯制膜滤出不同的氢同位素——氘和氚，大大简化重水的生产过程，并有助于清理核废料，有望制备节能、高效和价廉的理想过滤器。

对于氢核聚变而言，氢的同位素——氘(又称重氢)是用作热核反应的重要能源，在分析和化学追踪技术中也被广泛使用。氘的氧化物即重水，在铀核裂变中可做为减速剂，由此在特种运行中需要成千上万吨重水。氚是氢最重的同位素，其原子含有1个质子和两个中子，具有放射性，在核裂变工厂作为发电副产品须被安全去除。未来核技术的发展将基于这两个重同位素的核聚变。

安德烈在论文中称，由石墨烯制成的薄膜可作为一个筛子，从氢的同位素氘较重的原子核中分离质子。

曼大研究人员测试了氘的原子核，可以通过石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。虽然现有理论不能预测两个同位素的渗透有何差异，而他们充分预计出氘核可以轻松通过。

研究人员惊奇地发现，氘不仅能够被一个原子厚的膜有效筛选分离，而且这一过程效率很高。这一发现使得单层石墨烯和氮化硼，对丰富的氘和氚混合物充当分离膜很具吸引力。

中国业界专家如何点评

在看到外媒报道这一消息之后，中国石墨烯产业界一线专家学者纷纷热议，十分关注。科技日报记者就此进行了采访。

刘忠范院士在接受科技日报记者采访时，对此研究成果点评道：“非常有创意!人们已经知道只有质子能够穿透石墨烯，而现在进一步发现只有最轻的氢同位素质子能够穿过，这是一个新的发现，并可用在重水分离上，对于核废料的处理也将是更为节能高效的浓缩方法。尽管目前只是演示性的工作，但未来有着巨大商业化潜力。不过，实际的石墨烯和氮化硼并没有那么完美，有很多结构缺陷，大一点的东西也会穿过。这也许是未来在研究中需要努力突破的。”

李义春博士指出，“感觉这项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过滤特性，未来将是一个崭新的应用领域。”

曾任深圳清华大学研究院创始院长、江南石墨烯研究院名誉理事长的冯冠平教授说，“理论上这一研究能做到的话还是不错的，涉及到把石墨烯膜用于核废料处理上，把原来的生产重水流程大大简化。不过现在仅是论文阶段，未来能否在实际中发挥作用还有待观望。”