石墨烯纳米材料在船舶制造中的应用

王成营, 罗 辉

(中海工业(江苏)有限公司， 江苏 扬州 225211 )

0 引 言

当今，海洋运输已成为国际贸易物流的重要组成部分，海洋开发成为人类获取资源的重要途径。近些年，随着我国的航运业、船舶及海工制造业大力发展，这一领域对我国经济的促进作用日益明显。随着竞争日趋激烈，能否进一步提高船舶制造技术、降低营运成本成为未来发展的关键，同油耗下提高航速、降低内部消耗等都是可以考虑的途径。主要介绍石墨烯纳米材料的特殊性能及其在船舶制造中的应用。

1 石墨烯促进纳米输运

石墨烯(见图1)是碳的一种同素异形体，由曼彻斯特大学的Geim教授在2004年通过胶带从石墨块体上得到[1]。由于其具有很强的机械强度、很高的导热系数、完美的导电性能、不溶于无机溶液，并对气体和溶液具有不渗透性等特性，得到了广泛关注。目前，石墨烯作为一种新型纳米材料，广泛用于导热材料、导电材料、能源存储、物质分离和生物分子检测。在此，主要讨论这种新型材料在船舶制造方面的应用。

图1 石墨烯分子结构

石墨烯是一种二维单层石墨晶体，其剖面内碳原子构成蜂窝状的六元环，C-C键长0.14 nm。研究发现,石墨烯表面具有很强的疏水性，水分子不能在石墨烯表面自由铺展，而在距其表面一定距离位置处形成由大量水分子聚集而成的吸附层，浓度高200 m以上[2]。此吸附层内部，水分子会排列成有序的结构[3]，当通过加压使液体运动时，石墨烯表面液体会有很长的滑移长度，液体在其表面的滑移速度能达到体态速度的许多倍，表明石墨烯水界面具有很小的粘滞阻力。基于此特性，再加上其具有很强的抗腐蚀性，石墨烯可以作为涂层材料用于船身。这样，当船舶漂浮航行于海水中时，海水和船身之间会形成一个疏水薄层，不仅可以减小船舶与海水的摩擦阻力，进而减小能源的消耗，并且能有效抗海水腐蚀。而在甲板上使用此涂层，能够使进入甲板的水轻易滑动，不会造成海水聚集。

2 船用淡水的方式及优缺点

众所周知，船舶运行中，无论是设备冷却还是船员生活需求都离不开淡水。然而，船舶经常难以实现备置足够的淡水供船员和设备使用，特别是对于非内河船舶。制淡装置解决了饮用水不足的问题。目前，海水制淡主要通过两个途径，即蒸发式制淡和反渗透式制淡，两种方式各有优缺点。此处探讨使用多孔石墨烯材料进行海水淡化。

3 多孔石墨烯的离子选择性

单层石墨烯具有很强的机械强度，并且液体分子和离子均不能渗透其表面。通过运用透射电子显微镜和紫外线照射、离子刻蚀等方法，不同大小的纳米孔可以在单层石墨烯上加工，进而得到多孔石墨烯。当多孔石墨烯浸入到溶液中时，在纳米孔两端施加压力差，驱动溶液中的溶液产生定向移动；由于有孔的限制，溶液中的离子不能通过纳米孔，而被阻挡在孔的一端，通过的水分子则可以被富集起来。石墨烯具有单层原子的厚度，施加在孔两端的压强不至于太大，海水淡化所需能源大大减少[4]。

石墨烯具有很多衍生物，都具有各自的特性，并在特定领域有特定应用[5]。氧化石墨烯就是其中之一，其表面具有亲水性，受表面的羟基作用，当氧化石墨烯做成多孔材料用于海水淡化时，可以大大提高水分子的通过率，提高淡化效率。Cohen-Tanugi等[6]使用分子动力学模拟，通过修饰单层石墨烯纳米孔边缘碳原子的亲水性与疏水性发现，当边缘碳原子亲水后，石墨烯纳米孔对离子和水分子的通过影响很大，会使水分子大量通过而离子通过相对较少，进而实现海水淡化。

与石墨烯衍生物相仿，石墨烯纳米孔可以通过化学修饰在纳米孔的边缘碳原子上链接一些基团[7-8]。这些基团往往带有电荷，或能改变纳米孔的亲疏水性能。借助这些基团，能够实现纳米孔对离子的选择通过性，当在纳米孔两端施加电压后，溶液中的离子能够进行定向移动，使离子和水分子分离，进而实现海水淡化。

基于此种纳米材料，构想一种可以用在船舶上的便携式海水淡化装置。通过使用以多孔石墨烯为材料做成的过滤装置，在外加压强作用下，可以便捷可控地实现海水的淡化，做到随取随用。

4 结 语

随着船舶制造行业竞争加剧，低成本、高技术造船已成为所有造船企业未来的发展之路。作为一种新型的纳米材料，石墨烯具有优越的性能，随着科学研究的发展和应用技术的提高，其在优化船舶使用性能方面将发挥很好的促进作用。

参考文献：

[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2] Joseph S, Aluru N R. Why Are Carbon Nanotubes Fast Transporters of Water[J]. Nano Letters, 2008, 8(2): 452-458.

[3] He Z, Zhou J, Lu X, et al. Ice-Like Water Structure in Carbon Nanotube (8,8) Induces Cationic Hydration Enhancement[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(21): 11412-11420.

[4] Zhao S, Xue J,Kang W. Ion Selection of Charge-Modified Large Nanopores in a Graphene Sheet[J]. The Journal of Chemical Physics, 2013, 139(11): 114702-114708.

[5] Chen D, Zhang H, Liu Y, et al. Graphene and Its Derivatives for the Development of Solar Cells, Photoelectrochemical, and Photocatalytic Applications[J]. Energy & Environmental Science, 2013, 6(5): 1362-1387.

[6] Cohen-Tanugi D, Grossman J C. Water Desalination Across Nanoporous Graphene[J]. Nano Letters, 2012, 12(7): 3602-3608.

[7] Bayley H. Nanotechnology: Holes with an Edge[J]. Nature, 2010, 467(7312): 164-165.

[8] Mishra A K, Ramaprabhu S. Functionalized Graphene Sheets for Arsenic Removal and Desalination of Sea Water[J]. Desalination, 2011, 282(1): 39-45.