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減弱氧化石墨烯膜表面褶皺提高其對氣體和液體的分離性能

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年11月11日  

GO膜表面性質是影響膜性能的另一個重要因素。目前主要有兩個思路去改變GO膜表面性質:還原和表面官能化。GO還原可以消除表面含氧官能團從而降低空間位阻,減小層間距。然而,還原伴隨著膜表面親水性的下降,使GO在水中分散性變差。由于GO膜的分離性能除了物理尺寸排除效應外,電荷也因為道南效應有很大的影響。因此,通過在GO膜表面接枝正電的高分子可顯著提高對二價陽離子如Mg2+,Pb2+,Ni2+,Cd2+,Zn2+的脫鹽率。

在GO膜的制備過程中,如滴涂、旋涂、噴涂和抽濾等,實驗和模擬都證明GO膜表面會有明顯的褶皺。這是由于GO柔性、超薄的二維片層結構導致的。一旦這些褶皺在制備初期形成,隨著膜厚的增加,這些褶皺會被放大而更加明顯。在最近的一個模擬研究中,Kim等發現邊邊連接和面面銜接對GO膜的褶皺有很大影響。邊邊連接更容易形成褶皺結構從而影響GO膜的堆疊方式。減弱這些褶皺結構可以將Na2SO4的脫鹽率從21.3%顯著提高到85.5%。

近日,來自阿克隆大學的HanLin等人通過在GO表面接枝草酸(oxalicacid,OA)使GO片更傾向于面面銜接。隨后,GO片層之間再用乙二胺(ethylenediamine,EDA)交聯,使GO膜更具有更有序緊密的堆疊,同時減弱GO膜表面褶皺。同時,該GO膜通過高壓抽濾的方法沉積在聚多巴胺改性的聚醚砜(polyethesulfone,PES)多孔支承層上,使GO膜的有序度更好。GO膜的厚度可以通過調控GO的含量控制在100~400nm之間,層間距小于1nm。最終優化得到的OAGO/EDA膜表現出優異的H2/CO2透過選擇性,分離因子達到16.14,H2的透過量是1.362*10-8molm-2s-1Pa-1。該OAGO/EDA膜同時具有優異的液體分離性能,對甲基藍的脫除效率可達到99.9%,對Na+,K+,Mg2+,Cl-,SO42-的脫鹽率都在98.1%以上。

這個研究工作為制備具有強的面面相互作用和更優的有序結構的GO膜提供了一種新的方法。由于其簡單的制備工藝,可控的層間距,優異的穩定性,此改性的GO膜在氣體和液體分離領域具有巨大的應用前景。

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