英国曼彻斯特大学与西南交通大学、中国科大合作在基于氧化石墨烯高通量分离薄膜方面取得进展
11月15日，《自然材料》（Nature Materials）在线发表了英国曼彻斯特大学的石墨烯研究所与中国西南交通大学、中国科学技术大学合作，在基于氧化石墨烯高通量分离薄膜方面取得的最新研究成果。该论文题为“Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation”。
纳米过滤薄膜在海水淡化、食品和制药工业、灌溉等诸多领域有广阔的应用。在广泛应用的同时也存在一定的问题：一方面，该类薄膜大部分由有机物组成，在合成过程中使用的有机溶剂对环境有害。另一方面，如何寻求过滤性能、机械稳定性和化学稳定性之间的合理平衡，也是一个棘手的问题。
分离纯化一直是工业生产领域的重要环节，有效的膜分离技术能够大大降低生产成本。一般膜的分离技术是借助于被分离基质中组分分子的大小或者极性的差异等因素来进行分离的，而其中最为核心的部分则是构成膜的材料。能够精确控制的孔径大小，构型或者极性等性质的MOF在分离应用方面具有很大的潜力（金属有机框架化合物（MOF）在碳氢化合物吸附分离上的应用）。
与此同时，石墨烯拥有良好的机械强度，可以承受较大渗透压和剪应力。然而在实际大规模生产中，往往需要形成纳米针孔，所以实现高质量的转换技术和纳米孔制造工艺仍然是长远的挑战。氧化石墨烯（GO）良好的成膜性质，特殊的分子筛分效应以及其高通量等优点在分离纯化应用方面具有潜在的应用。已报道的工作中，GO构筑的膜仅能用于水溶液中的分离，而有机溶剂则无法透过。
较大的GO片层叠在一起，片层之间存在一些小孔
研究人员突破了上述问题中的这种限制，使用10 -20 um大小左右的GO，通过层叠的方式构筑了一层厚度为 ~ 10 nm左右的薄膜。这种膜能让水和有机溶剂快速的透过。研究人员认为，这种层叠的GO薄膜的筛分作用主要来源于薄膜中形成的1 nm左右大小的小孔。这种薄膜能够有效的分离溶解在甲醇中的有机染料分子。
超薄高度层叠的GO膜（HLGO）的SEM图
（a）负载在氧化铝上的HLGO；（b）HLGO和传统方法形成的GO膜（CGO）（GO片大小为0.1 - 0.6 um）
HLGO膜的分子筛分效应和有机溶剂过滤效果
（a）较小的离子/分子NaCl和MgCl2能通过HLGO，而较大的分子亚甲基蓝，玫瑰红等无法通过HLGO膜；（b）有机溶剂的粘度和在HLGO通量的关系图；（c）甲醇中染料的分离。
HLGO膜厚度与有机溶剂通量的关系
（a）浸泡在不同溶剂中的HLGO膜的XRD图；（b）有机溶剂的通量与HLGO膜厚度的关系。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/nmat5025
来源：研之成理、江南石墨烯研究院
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