IFGSZ人物访谈视频版:天津大学周凯歌

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周凯歌,天津大学分子+研究院教授,2012年度英国皇家学会牛顿学者。在英国曼彻斯特大学、比利时天主教荷语鲁汶大学及兰州大学从事多年科学研究工作。主要研究方向为二维膜材料在物质超快弹道输运领域的应用,包括超快弹道输运的原位观测与机理研究、二维膜的设计与构筑、膜分离与化学催化、环境应用以及传感器件等领域。以第一作者或独立通讯作者在包括:Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano 等期刊上发表论文10篇,影响因子总和108,单篇最高他引421次;总计发表论文23篇,他引1467次。多篇论文入选 ESI高被引论文。研究方向主要集中在膜分离技术;同位素分离;二维材料制备及表征;显微红外/拉曼光谱;微纳流体力学;限域反应动力学。
邮箱:kaigezhou@tju.edu.cn
石墨烯可应用在液体和气体分离领域
IFGSZ:首先请您介绍一下您课题组的研究方向?
ZKG我们团队目前的工作主要集中在利用氧化石墨烯及BN等其他材料去构筑大面积的分离膜,用于海水淡化及工业上的气体分离。研究方向主要是利用石墨烯和类石墨烯二维材料进行膜分离,因为石墨烯在堆叠的过程中,层与层之间会形成0.35-1nm左右的二维空间,在物质传输时,受到空间的尺寸效应限制的影响,会出现尺寸的筛分效应以及超快弹导输运等一些特殊物理现象,可以将这种特殊的传质物理现象应用在膜分离和膜反应的过程。
以石墨烯膜为基础打造分子渗透的智能膜
IFGSZ:膜分离领域目前有哪些挑战?石墨烯材料这个领域带来了哪些新的希望?
ZKG在进行膜分离时,基础策略是利用尺寸筛分效应,即其孔道越小,能通过的物质越小,例如氢的质子水合半径在3.5Å左右,为了达到这样小尺寸的筛分,需要非常小的孔径去进行筛分,像海水中的碱金属以及二价盐离子的脱除,但带来的另一个负面效应是这个膜的通量相对比较低。为了解决这个鱼与熊掌不可兼得的矛盾性问题,大家不断在寻找一些新材料,在研究二维膜的过程中,发现水分子穿过膜的阻力完全为0。从物理图像描述,意味着一个水分子在进入穿出膜之间的动量没有损耗,利用这种超快弹道输运特性,构筑一个海水脱盐膜,在这种脱盐膜情况下,既能通过0.3Å到1nm这样的小尺寸筛分,同时又能具备很高的通量,就解决了通量和选择性之间的矛盾性问题。所以我们非常期望二维膜能在海水淡化和化学化工的分离领域得到更多应用。
石墨烯膜具有尺寸和表面化学效应
IFGSZ:如何针对以上应用对石墨烯膜的结构进行合理的设计?
ZKG在二维空间层面受限空间中存在两个效应,一个是尺寸的效应,一个是内表面的效应。尺寸的效应主要解决需要筛分什么东西的问题,比如当需要把海水中的盐全部脱除,就需要把孔道设计得越小越好,而当我们需要把海水中特定的油提炼出来时,就需要去设计一个特定的适用于油的通道尺寸。第二是内表面的化学特性,实际上一方面需要解决的是膜的稳定性问题,另一方面是解决在化工实际生产当中一些实验室碰不到的问题,如当海水过滤时,除了盐水还沾染了很多生物质、藻类甚至油污等需要进行脱除。这就要求提升膜的抗污染性能,可以通过对膜进行化学表面的修饰,利用表面化学或者层层自组装的化学表面去实现抗污染,同时具有高通量的海水脱盐的膜分离技术。
期待更多的青年学者投身到石墨烯领域
IFGSZ:您认为我们的石墨烯论坛对学术界和产业界有怎样的影响?
ZKG通过这个论坛学习到很多学术界前沿的文章和产业的最新进展,能有机会跟业内专业人士去交流其经验十分难得,同时也希望更多青年投入石墨烯以及二维材料的科研和产业方面的工作,石墨烯领域才会有更好的发展。
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