顆粒在線訊：研究背景

氧化石墨烯（GO）具有二維層狀結(jié)構(gòu)、單原子層厚度，兼顧優(yōu)異的機(jī)械和熱力學(xué)穩(wěn)定性，已成為設(shè)計(jì)和合成高性能石墨烯膜的熱門基材。然而如何真正推廣其落地應(yīng)用一直是膜行業(yè)和其他各類行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。立足產(chǎn)學(xué)研發(fā)展需求，以“目標(biāo)導(dǎo)向、逆向思維”為原則，兼顧膜材料基礎(chǔ)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展，廈門大學(xué)藍(lán)偉光教授團(tuán)隊(duì)積極探索石墨烯在膜行業(yè)的應(yīng)用之路，主要研發(fā)有機(jī)/無(wú)機(jī)膜材料及其在膜分離科學(xué)與技術(shù)和水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。氧化石墨烯 (GO) 膜有望用于制造功能先進(jìn)的水處理納濾膜，在水溶液環(huán)境中如何抑制GO納濾膜的膨脹效應(yīng)是制備穩(wěn)定性GO納濾膜重點(diǎn)考慮因素之一，即維持高水通量和長(zhǎng)時(shí)間膜穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。

成果簡(jiǎn)介

廈門大學(xué)藍(lán)偉光教授團(tuán)隊(duì)在《Nanoscale》上面發(fā)表了題為“Highly stable graphene oxide composite nanofiltration membrane”的論文。研究報(bào)道了一種制造可控GO復(fù)合納濾膜的普適策略，以原位生成的TiO2納米顆粒作為層間距的控制層，以高分子聚合物聚乙烯亞胺（PEI）作為表面親疏水性的調(diào)節(jié)層，來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的GO復(fù)合納濾膜分離過程。研究發(fā)現(xiàn)，在極低的納濾操作壓力下，最優(yōu)的GO復(fù)合納濾膜的純水通量可達(dá) 26.0 L m-2 h-1 bar-1，且對(duì)亞甲藍(lán)和曙紅染料的截留率均能超過99%，遠(yuǎn)超過純GO膜與三款商業(yè)納濾膜。此外，研究報(bào)道的GO復(fù)合納濾膜還表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在經(jīng)過5次染料過濾循環(huán)后性能和膜結(jié)構(gòu)幾乎維持不變，這項(xiàng)研究在開發(fā)基于GO基膜材料的工業(yè)應(yīng)用中表現(xiàn)出了極大的潛力。

如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)采用真空抽濾法制備了GO復(fù)合納濾膜，優(yōu)化TiO2、PEI與GO片層的協(xié)同效應(yīng)，以制備出高強(qiáng)度的GO復(fù)合納濾膜。其中TiO2納米粒子通過原位沉積法生長(zhǎng)在GO片層結(jié)構(gòu)中，而PEI則采用抽濾封裝法，繼而進(jìn)一步熱處理可提高PEI與表面GO的交聯(lián)度。

圖1. 高穩(wěn)定性石墨烯復(fù)合膜制備工藝。

GO和GO復(fù)合納濾膜的SEM、TEM和SEM截面形貌如圖2所示。在GO層間原位插入TiO2納米粒子之后不改變GO的納米片形貌，較小的TiO2納米粒子結(jié)構(gòu)有助于維持GO本征的片層結(jié)構(gòu)，且可提高GO膜的強(qiáng)度，保證高穩(wěn)定性納濾膜性能。由SEM側(cè)面圖可明顯判斷出，GO復(fù)合納濾膜的層間距增加，這將有利于提供通暢的水流通道。

圖2. GO和GO復(fù)合膜(G-T3)的(a) SEM，(b) TEM 和(c) SEM截面圖。

通過死端過濾法測(cè)試了商業(yè)納濾膜（VNF1, VNFK和DK）、GO膜和GO復(fù)合膜的純水通量和染料截留性能，如圖3所示，GO復(fù)合納濾膜的純水通量明顯高于商業(yè)納濾膜，且對(duì)亞甲基藍(lán)的截留接近100%，高于三款商品膜VNF1(87.6%)，VNFK (97.0%)和DK (99.7%)的截留率。

圖3. GO復(fù)合納濾膜和三款商業(yè)納濾膜（VNF1、VNFK和DK）的純水通量(a)和染料截留(b)。(c) GO復(fù)合納濾膜穩(wěn)定性性能比較。

TiO2納米顆粒使得GO膜層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高，而且作為層間距的調(diào)節(jié)器，在保證高水通量同時(shí)維持較好的染料截留。對(duì)于GO復(fù)合納濾膜，其對(duì)亞甲基藍(lán)分離的機(jī)理為空間位阻和電荷效應(yīng)（圖4），在GO復(fù)合納濾膜表面封裝聚陽(yáng)離子PEI后，膜表面形成了更加致密的皮層，提高了膜表面的粗糙度和親水性。這樣獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使GO復(fù)合納濾膜在5次循環(huán)過程中仍然表現(xiàn)了很好的穩(wěn)定性，由此實(shí)現(xiàn)了兼具高通量、高截留且可重復(fù)使用高強(qiáng)度GO納濾膜。

圖4. 氧化石墨烯復(fù)合納濾膜的分離機(jī)理

參考文獻(xiàn)：

Kaiqiang Zheng, et al. Highly stable graphene oxide composite nanofiltration membrane. Nanoscale, 2021,13, 10061-10066.

DOI：10.1039/D1NR01823J

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr01823j