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安徽理工大學(xué)劉泉課題組ACS Sustainable Chemistry & Engineering--機(jī)器學(xué)習(xí)輔助離子化氧化石墨烯膜設(shè)計(jì)之溶劑脫水
      氧化石墨烯(GO)以其單原子厚度有望實(shí)現(xiàn)膜過程的高效分離,如何解決GO膜的溶脹問題并定向設(shè)計(jì)高性能分離膜是該過程的關(guān)鍵。
      近日,安徽理工大學(xué)劉泉副教授在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊上發(fā)表了題為“Enhancing ballistic transport and C3-C4 alcohol dehydration through machine learning-designed cationic graphene oxide membranes”的重要研究成果,采用機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)實(shí)現(xiàn)GO膜的水穩(wěn)定性與溶劑脫水性能的提升。
近年來,機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)和分子模擬改變了傳統(tǒng)膜材料的研發(fā)模式。該研究采用ML輔助設(shè)計(jì)離子化GO膜,建立了包括溫度、化學(xué)基團(tuán)、離子負(fù)載量、離子大小和電荷等描述符與膜性能之間的多變量預(yù)測(cè)模型。采用分子模擬探究GO的水穩(wěn)定性:傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為GO穩(wěn)定機(jī)制源于“離子-π”作用;該研究考慮離子的實(shí)際水合效應(yīng),提出“類根狀氫鍵”穩(wěn)定膜層及水分子“彈道傳輸”機(jī)制。通過探索不同陽離子,發(fā)現(xiàn)Ca2+-GO膜最具氫鍵穩(wěn)定性和靜電捕水能力;通過滲透汽化測(cè)試,該ML設(shè)計(jì)的GO膜對(duì)異丙醇和丁醇表現(xiàn)出優(yōu)異的脫水性能,分離因子分別達(dá)到5922和46369,滲透性約48.5-123.6 GPU,遠(yuǎn)超現(xiàn)有的分離膜報(bào)道。該研究發(fā)展ML加速了高性能膜材料開發(fā)并揭示GO膜的水穩(wěn)定機(jī)制,為研究者提供了定向設(shè)計(jì)思路與參考機(jī)制。


圖1機(jī)器學(xué)習(xí)之GO膜設(shè)計(jì)。


圖2 陽離子GO膜捕水過程及“類根狀”氫鍵穩(wěn)定膜層機(jī)制。
 

圖3 彈道傳質(zhì)過程中的位阻和靜電作用。
 

圖4 ML篩選最優(yōu)膜結(jié)構(gòu)。
 

圖5 ML設(shè)計(jì)Ca2+-GO膜之性能對(duì)比。

作者:孫龍龍,劉泉,梁卓琳,楊忠連,張中標(biāo)
通訊作者:


劉泉,安徽理工大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師;2019年博士畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,導(dǎo)師:金萬勤教授;主要從事膜分離方向研究,聚焦于膜過程傳質(zhì)機(jī)制與新型亞納米孔道膜材料的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。個(gè)人信息主頁https://orcid.org/0000-0002-0266-5570
 
 
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c05255


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