Nature Materials：氧化石墨烯超薄膜用于精確分子篩分和有機溶劑快速滲透

艾龐廳 6年前 (2017-11-16) 32351瀏覽

【引言】

高效分離不同化學組分的薄膜技術因其低成本和簡便性的優勢，在水凈化處理和清潔能源等領域具有廣闊的應用前景。氧化石墨烯（GO）薄膜由于兼具獨特的分子篩分功能和快速滲透特性而受到研究人員的廣泛關注，通過調節GO薄膜的孔徑和厚度可以在一定范圍內調節其滲透率。然而，由于GO薄膜在大多數的有機體系中都不具備透過性，目前GO薄膜在組分篩分方面的應用僅限于水溶液體系。因此，制備能對有機溶劑體系進行精細組分篩分及快速過濾的GO薄膜備受關注。這不僅需要GO薄膜能夠對埃（?）級尺度的化學組分進行精確篩分，還需要薄膜具有高的有機溶劑滲透率。盡管GO薄膜在有機溶劑中的溶脹現象預示著有機溶劑能夠滲透并通過薄膜，設計并制備符合使用要求的GO薄膜仍然面臨著極大的挑戰。

【成果簡介】

近日，英國曼徹斯特大學的R. R. Nair教授和Y. Su博士（共同通訊作者）等將Hummers法合成的GO片層超聲分散在水中形成穩定的GO懸浮液，經真空抽濾得到GO薄膜，該薄膜由許多10-20μm的鱗片氧化石墨烯形成光滑的二維毛細管結構形成薄層。通過取用不同體積的GO懸浮液控制抽濾所得GO薄膜的厚度，并經過不同的超聲剝離時間得到普通的GO（記為CG）和高度剝離的GO（記為HLGO），研究人員發現僅含幾個片層的HLGO薄膜能允許有機溶劑在其中高效快速通過并表現出優異的組分篩分性能。HLGO薄膜在水溶液和有機溶劑體系中的優異滲透性能得益于其薄至10 nm的片層結構。而有機溶劑分子在HLGO薄膜中的高滲透率和亞納米級組分篩分特性則源自HLGO薄膜中隨機分布的針孔，這些針孔由GO片層形成的短通道連接，其寬度約為1 nm。當GO薄膜厚度增大時，有機溶劑在其中的滲透率指數衰減，而水分子始終能以更快的速度通過。此外，研究人員還采用Mg²⁺交聯GO薄膜的方法，對GO薄膜內部的片層結構進行優化，使GO薄膜對納米組分的過濾效果進一步提升。采用該工作中得到的HLGO薄膜對溶有小分子有機染料的甲醇溶液進行過濾，能分離得到超過99.9 %的有機染料。該結果充分表明該工作得到的GO薄膜廣泛適用于水溶液體系和有機溶劑體系中的納米過濾。這一發現有望在未來的石油、制藥、化工、新能源等領域大展身手！該研究成果以“Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation”為題，發表在Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖1. 超薄HLGO薄膜的形貌及結構表征