石墨烯或成清理核废料的完美利器

文/华凌

石墨烯或成清理核废料的完美利器

文/华凌

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。

中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授刘忠范博士、中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春博士，以及素有“中国石墨烯产业奠基人”之称的冯冠平教授为这一新的研究成果作出解读及点评。

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，由此在核电站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。

有望成为理想的过滤器

目前，用于生产重水的分离技术需要相当多的能源消耗，并且在科学和工业上存在一些重大问题。而现在采用石墨烯有望使这一过程更有效率。

据物理学家组织网1月5日报道，采用这种石墨烯膜，可能意味着核电站生产重水的过程会减少10倍的能量消耗，而且过程更简化、花费更便宜。

此外，研究人员发现，这种分离是完全可升级的。他们利用化学气相沉积（CVD）的石墨烯，建立了厘米大小的设备从氘和氢混合物中有效泵出氢。

此论文的第一作者、曼大博士后研究员马塞洛洛萨达·伊达尔戈博士说：“这是首次证明在室温条件下区分亚原子粒子的第一膜。现在，我们发现它是一个完全可扩展的技术，希望能很快找到实际应用的方法。”

论文共同作者伊琳娜教授说，“我们惊讶地发现，一种膜可用于分离单独的亚原子粒子。建立这个设置非常简单，希望不仅在分析和化学示踪技术上看到这些过滤器的应用，还能有助于清理源自核废料中的放射性氚。”

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。

刘忠范院士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。”