悉尼大學陳元課題組：插入二維共價有機骨架的高性能石墨烯納濾膜

【背景介紹】

石墨烯是理想的制備高性能納濾膜的材料。石墨烯膜的分離性能受到膜的納米結構的影響，例如，石墨烯納米片間的層間距。最近的研究也發現，通常只是用來增強石墨烯膜機械性能的高分子多孔基底也能影響石墨烯膜的分離性能。例如，基膜的孔的大小、表面粗糙度都能使其負載的石墨烯膜的納米結構發生顯著變化。負載在大孔基膜上的石墨烯膜的水通量更大。但是，如果基膜的孔變得太大，柔軟的石墨烯膜就容易在高壓下發生塌陷，破壞膜的穩定性。受到“鋼筋”強化混凝土的啟示，作者提出石墨烯膜也可能通過插入更強的“鋼筋”來強化其穩定性。例如，具有二維結構的共價有機骨架（2D COF）有良好的機械性能，同時也擁有可做為有效水通道的多空結構。并且，它們的二維片層結構也可以與石墨烯納米片實現無縫銜接，并且調控石墨烯片之間的層間距。

【成果簡介】

近日， 悉尼大學陳元教授課題組和南洋理工大學吳昆勵Kunli Goh博士合作（第一作者，悉尼大學博士生，隋瀟）在部分化學還原的氧化石墨烯（prGO）組成的片層結構中插入COF，制備高性能的復合材料納濾膜（prGO/COF）。通過對COF的加入量和尼龍基膜孔結構的優化，在選擇性沒有下降的前提下， prGO/COF膜的水通量比未加入COF的prGO膜增加了27倍。此外，prGO/COF膜也在大孔的基膜上展示出了良好的自我支撐能力。通過對膜結構的分析和計算，prGO/COF膜的有效面積可增加53.4%，并且在承受5 bar的形變下，連續工作10小時以上。

相關研究成果以“Graphene oxide laminates intercalated with 2D covalent-organic frameworks as a robust nanofiltration membrane”為題發表在Journal of Materials Chemistry A上。

【小結】

在這個工作中，研究團隊協同COF的插入和基膜孔結構的兩個手段來調控石墨烯納米片層的結構，顯著提高了prGO/COF膜的穩定性的分離性能。COF的插入和大孔的基膜可以大幅提升石墨烯膜的水通量，又能同時保持其良好的選擇性。這不僅僅歸功于COF對于石墨烯納米片的層間距的調節。更重要的是，COF可以起到增強石墨烯納米片網絡的自我支撐能力，從而使它們在大孔的基膜上形成結構完整的納濾膜。這些納濾膜有更多的納米皺褶，使其有效面積增加了53.4%。這個工作展示了COF對石墨烯膜結構優越的調控能力。同時這種通過多個途徑來優化石墨烯膜性能的策略也可以為以后新型石墨烯膜的設計提供有用的參考。

【圖文解讀】

圖1 prGO/COF膜制備示意圖。

圖2 （a）COF的XRD譜圖，（b）COF納米片的尺寸分布圖，（c-d）prGO的XPS譜圖，（e-f）COF和（g-h）prGO的AFM和納米片厚度特征圖。

圖3 （a）0.45微米孔的尼龍基膜（b）prGO膜（c）prGO/COF-0.3和（d）prGO/COF-0.5膜的表面SEM照片，（e）prGO（f）prGO/COF-0.3和（g）prGO/COF-0.5膜的截面圖

圖4 prGO/COF膜的（a）水通量 （b）對三種有機染料分子的截留率 （c）XRD譜圖。

圖5 prGO和prGO/COF膜在不同基膜上的（a）亞甲基藍（MB）的截留率和（b）水通量，（c）prGO和（d）prGO/COF膜在0.65微米孔的基膜上表面的SEM，（e）prGO/COF膜在不同壓力下工作的水通量和截留率，（f）prGO/COF膜在5 bar壓力下的長期穩定性。

圖 6 孔大小為（a）0.10微米 （b）0.20微米（c）0.45 微米的尼龍基膜的SEM，prGO/COF膜在孔為（d）0.10微米 （e）0.20微米（f）0.45 微米基膜上的SEM，（g-i）孔大小不同的尼龍基膜的AFM，（j-l）prGO/COF在不同大小孔的基膜上的AFM，（m）prGO和prGO/COF-0.3膜在不同大小孔的基膜上的高度均方根。

圖7 （a-c）prGO/COF在不同大小孔的基膜上的結構示意圖，（d）COF，基膜孔的大小和膜表面粗糙度，以及水通量的關系圖。

文獻鏈接

https://doi.org/10.1039/D0TA01727B