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石墨烯基膜的新功能-----选择性筛分

发布时间:2018-2-9 11:40:20      阅读133

  上图展示了高度层压的氧化石墨烯(HLGO)膜对有机溶剂的渗透情况以及对有机溶质分子的筛分。超薄HLGO膜表现出超快的溶剂渗透性,同时具有分子筛分性能,筛分尺寸可达埃米尺寸(1埃米=10^-10米)。

  最近的两项进展有望扩大氧化石墨烯(GO)膜在净化和过滤技术中的应用。在最近的一份报告中,研究人员首次证明了基于GO的膜可应用于有机溶剂的快速高效过滤[Yang等,Nature Materials(2017),DOI:10.1038 / nmat5025]。与此同时,另外一个研究团队已经证明了GO层之间的间距如何通过金属阳离子来控制有机溶剂的渗透率[Chen et al。,Nature(2017),DOI:10.1038 / nature24044]。
  GO膜因其独特的分子筛性质和快速渗透性能在纯化和过滤应用中引起广泛的关注,但迄今为止,GO膜存在的一个最大的问题就是只能与水基液体一起使用。
  曼彻斯特大学的杨素先生与约克大学,南开大学,西南交通大学和中国科学技术大学的同事一起承担了这项工作,并表示:“以前的研究表明GO膜对除水以外的所有溶剂都是完全不能渗透的,这一现象直到现在也不能很好的解释。”但是使用非常薄由GO(GO-GO)膜(10〜20米)制成的薄膜,被称为高度层压的GO(HLGO)膜,研究人员已经证明了这一点。
  素说:“我们的超薄GO膜对有机溶剂具有高度渗透性,在1纳米处显示出分子筛性能。
  研究人员认为,一旦膜达到临界厚度(8nm),通过石墨烯通道连接的薄片中微小的针孔只有1nm宽,这些孔能够渗透和筛分有机溶剂。如果厚度增加,则膜会越来难透过溶剂。然而,水仍然会像正常情况一样继续透过膜。
  杨素说:“这种膜可以用于有机溶剂纳滤(OSN),而这种工艺广泛应用于许多化学制造业。传统的高分子膜在有机溶剂中极不稳定,但是陶瓷无机膜又存在着成本高,分离效率低的缺点。”
  与现在最先进的通过有机溶剂纳滤技术得到的聚合薄膜相比,GO-基膜不仅对小分子的过滤显示出了几乎100%的高过滤率,同时还使得其膜通量增大十倍 。
  杨素说:“GO膜在各种有机溶剂中的化学稳定性为这项技术远扩大了其应用潜能。
  同时,来自上海大学,上海应用物理研究所,浙江农林大学和南京理工大学的研究小组已经表明,GO层间距离可以用K  ,Na  ,Ca  ,Li  ,Mg2  等阳离子固定。
  Haiping Fang解释说:“尽管调整和修改了层间距,但是为了可以高效地分离小离子和分子,有效的控制层间距迄今为止仍然有很大的挑战来。
  为了克服这个局限性,研究人员简单地将分层的GO膜浸入盐溶液中。盐的类型以及阳离子的大小决定了层间距所固定的在不同的值。
  Fang报道“我们实验性地实现了在GO膜中小到约1nm和在溶液中精确度为1Å的条件下精确控制GO膜的层间距。 我们的理论计算表明,这种意想不到的行为是由于水合阳离子吸附在氧化基团和芳香环的区域,其中,这些氧化基团和芳香环将GO片材粘合在一起。
  一旦层间距已经被阳离子设定,膜将排除所有的具有较大水合尺寸的阳离子,因为它们不能通过间隙。所以该方法可用于在脱盐过程中从水中筛出离子。
  Fang说:“与传统的膜材料相比,GO膜允许超快速的水流通过低摩擦的二维通道。
  研究人员指出,这种膜还可用于气体净化,溶剂脱水,分子筛,以及锂基电池和超级电容器。
  这两项研究都意义重大,GO膜的先进领域相信伦敦帝国理工学院的Qilei Song。
  他认真地说,非常有必要进一步研究GO膜结构,例如调查GO层中缺陷和孔洞的大小以及其分布情况。为了实现Song的实际工业应用,还需要扩大膜的制造规模。

文章来自materialstoday网站,原文题目为Graphene-based membranes promise selective sieving。

来源:材料科技在线

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