由于淡水短缺影响着全世界数百万人，科学家和工程师一直在寻找新的方法来过滤掉水中不需要的金属和矿物质，同时保留这些元素以在其他地方重新使用。

 
  
       电容去离子 (CDI) 是一种由电极材料制成的膜从水中去除金属离子的技术，已被证明是一种很有前途的下一代滤水器技术。芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员设想，如果他们修改电极的分子表面，该技术可以变得更加高效。
在芝加哥大学联合工作组计划的支持下，三名研究人员研究了改变这些表面的最佳方法。芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程皇冠家族教授、阿贡大学首席水策略师陈俊红与阿贡大学的两位同事：科学家Maria Chan和高级物理学家Chris Benmore合作。通过实验、机器学习和强大的 X 射线，他们开发了一种 CDI 设备，可以比以前更有效地吸附铅。
 

  
       “我们未来的经济和国家安全确实取决于清洁水的供应，”陈说。“真正解决这一水挑战的唯一方法是研究水的再利用。这可能会推动对清洁能源应用很重要的资源的回收，并使我们的社会走向循环经济。”

寻找最佳功能分子组
      创建这样一个装置可能会产生广泛的影响。它可以帮助去除水中的铅以创造更安全的饮用水，它可以通过从供水中捕获磷和锂来帮助水的再利用，然后释放磷用于肥料和锂用于清洁能源技术。
 
 
       
       目前的技术没有能力选择性地分离水中微量的不同离子，或者只能以高成本这样做。虽然有些技术可以分离金属，但它们不能完全区分一种金属离子和另一种金属离子。这很重要，因为虽然铅应该从饮用水中去除，但另一种金属钙应该留在水中，因为它对人体健康有益。
      通过在电极中使用氧化石墨烯等碳材料，CDI 有望去除选定的金属离子。为了改进这些设备，UChicago-Argonne 团队需要更好地了解设备电极表面分子和离子之间的相互作用。
      通过建模和机器学习，Chan 和她的团队致力于了解改变电极表面上的功能性分子团（具有自身特征的特定原子团）将如何影响金属离子的选择性和去除。
       “使用计算机模型，我们可以在分子水平上理解和选择功能组。使用机器学习模型，我们可以将搜索范围扩大到许多可能可行的不同分子，”Chan 说。
       该团队最终发现了可以附着在氧化石墨烯上并选择性地从水中吸附不同类型离子的官能团。他们的预测得到了 Chen 的实验验证，表明该设备可以使用这些新功能组更有效地去除水中的铅。
       在阿贡，Benmore 使用强大的高级光子源（一种高能 X 射线）来了解水样中铅的结构，并更好地了解 CDI 与铅之间的相互作用。“这些都是基于 80 年代所做的实验，从那以后没有人真正研究过水中的离子，所以我们真的能够接受很多非常古老但重要的工作，并真正应用新方法来解决它，”他说。
       接下来，该团队计划使用其他金属离子（包括锂和钴）测试其设备。该项目受益于UChicago Joint Task Force Initiative的早期资助，该项目通过打开机构间频繁沟通和协作的渠道帮助阿贡和费米实验室取得任务成功。
       “UChicago Joint Task Force Initiative 的支持对这个研究项目至关重要，”Chen 说。“我认为这个项目促进了 UChicago 和 Argonne 研究人员之间的合作，这确实非常有影响力，因为我们将为这个项目以及未来的项目共同努力。”

转自《石墨烯研究》公众号