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石墨烯分離膜是什么?

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2018年08月10日  

石墨烯分離膜相關(guān)研究近年來(lái)呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長(zhǎng)趨勢(shì),從超濾、納濾到氣體分離,石墨烯分離膜十分搶眼,然而,越來(lái)越多同質(zhì)化的研究也使得該領(lǐng)域進(jìn)入了瓶頸期。不過(guò),近期AdvancedMaterials上的一篇文章卻讓人眼前一亮。美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)PiranR.Kidambi、PiranR.Kidambi等研究者們另辟蹊徑,不是常規(guī)地用石墨烯膜分離分子或離子,而是反其道而行之,通過(guò)分子和離子在石墨烯單晶膜中的滲透行為,來(lái)表征石墨烯膜的孔結(jié)構(gòu)。

單晶石墨烯在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用,不過(guò)單晶石墨烯的表面缺陷對(duì)其應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)限制。例如,在上述的石墨烯膜的制備過(guò)程中,表面缺陷可以形成液體或氣體透過(guò)的孔道;而在包裝和電子學(xué)的應(yīng)用中,缺陷卻是要極力避免的。而這一切問(wèn)題的基礎(chǔ)是要研究清楚這些缺陷的本質(zhì)及尺寸。實(shí)際上,僅有原子層厚度的單晶石墨烯是研究上述缺陷的理想模型,盡管有一些手段如像差矯正透射電子顯微鏡技術(shù)能夠研究這些納米到亞納米尺度的缺陷,但這些方法相對(duì)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。此外,與多晶石墨烯相比,去掉這些晶粒邊界會(huì)如何影響傳質(zhì)過(guò)程尚不清楚。

基于上述問(wèn)題,本文的研究者們就先在SiC表面生長(zhǎng)得到了較大面積的單晶石墨烯,再將其轉(zhuǎn)移至聚碳酸酯(PC)直通孔膜表面,然后通過(guò)研究不同分子或離子的擴(kuò)散行為,對(duì)石墨烯表面缺陷進(jìn)行表征。單晶石墨烯的制備過(guò)程為:首先在SiC表面生長(zhǎng)一層單晶石墨烯,再在上面沉積一層Ni,然后用一個(gè)相框形的膠帶將其從SiC表面剝離,然后轉(zhuǎn)移至PC膜表面(PC膜的孔徑為200nm)。

石墨烯單晶膜表面在制備與轉(zhuǎn)移過(guò)程中可能會(huì)形成不同尺度的缺陷。研究者們將膜放置在兩個(gè)溶液腔之間,其中一側(cè)加入待擴(kuò)散的溶液,并通過(guò)外加一定高度差的液柱提供靜水壓力,另一側(cè)則根據(jù)擴(kuò)散組分的不同利用不同方法進(jìn)行測(cè)試,比如利用電導(dǎo)率儀測(cè)試K+與Cl-離子的擴(kuò)散,利用紫外光譜來(lái)測(cè)試染料的擴(kuò)散。

測(cè)試的原理如下:對(duì)于PC膜,其壓力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)速率大致正比于為D4/L(孔徑D和孔道長(zhǎng)度L),擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)速率則為D2/L,而石墨烯壓力驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散速率則與缺陷孔徑D3相關(guān)。也就是說(shuō),50nm左右缺陷的石墨烯膜的壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)阻力大致與PC膜的壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)阻力相一致,而4nm左右缺陷的石墨烯膜的壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)阻力則與PC膜的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)流動(dòng)阻力相一致。

由此,石墨烯單晶膜的表面缺陷孔徑可以分為以下四種情況:1、大于50nm的缺陷,這種情況下PC膜同時(shí)存在壓力與擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的流動(dòng);2、10-50nm的缺陷,PC膜存在擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)但大部分壓力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)被阻礙;3、小于10nm的缺陷,PC存在部分的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的流動(dòng),而壓力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)均被阻礙;4、亞納米的缺陷。

簡(jiǎn)單的說(shuō),通過(guò)比較不同尺寸的分子在PC膜中和在石墨烯+PC膜中的擴(kuò)散,就可以判斷出不同尺寸的孔的存在。例如,如果石墨烯膜上僅有50nm以上的大孔,那不同組分如K+、染料及乙醇的相對(duì)滲透分?jǐn)?shù)(即在石墨烯+PC中的流動(dòng)速率/在PC中的流動(dòng)速率)應(yīng)該相同,但由于存在其它尺寸的孔,因此在滲透性上,離子與染料分子表現(xiàn)出了差異。另一方面,如果尺寸不同的分子并未表現(xiàn)出明顯的滲透性差異,則表面在其對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)的孔較小。

相較于其他石墨烯分離膜的工作,這份工作并未從傳統(tǒng)的分離性能角度入手,反而著眼于不同分子在膜內(nèi)的滲透行為,反推膜的缺陷尺寸,并將其變?yōu)楸碚髂そY(jié)構(gòu)的一種新手段。構(gòu)思之巧妙,令人嘆服。

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