氧化石墨烯膜在有机溶剂中的半透性

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与传统的化工分离过程相比,膜分离过程更加简单高效。理想的分离膜应该尽可能的薄以增加溶剂通量,有足够的机械强度以防止破损,有窄的孔尺寸分布以确保选择性,而且在分离介质中有很好的稳定性。

石墨烯具有单原子层厚度,高的机械强度以及优异的化学稳定性,因而有可能成为一种高效的膜分离材料。但是无缺陷的单层石墨烯能阻挡住几乎所有的分子和离子,不适合直接用作分离膜。要使石墨烯膜对不同尺寸的粒子产生选择性主要有两种方法。

第一种方法是在单层或少层石墨烯膜上引入一些纳米级的孔。这种方法制得的多孔石墨烯膜由于具有原子级的厚度,因而有可能获得很高的溶剂通量。但是很难对纳米孔的尺寸进行精确控制,单位面积上孔的数量也比较有限。这种方法还要求作为原材料的石墨烯膜具有单晶结构,否则晶界处的缺陷会严重降低膜的选择性。到目前为止,单晶的石墨烯膜很难实现大面积批量制备。虽然有的研究小组已经能制备出厘米级尺寸的单晶石墨烯膜,但是价格十分昂贵。并且要将单晶石墨烯膜从催化剂基底上无缺陷地转移到多孔支撑层上也是一个很大的挑战,特别是当膜面积比较大的情况下。

第二种方法是以廉价易得的氧化石墨烯(GO)为原材料的。将GO纳米片堆叠成膜,在GO片层之间会产生一定的空隙。这个层间的空隙相当于一个二维的纳米孔道,它能很好地阻止尺寸比其孔径大的粒子通过。因此GO膜可以起到半透膜的作用。另外,化学修饰或插入合适大小的纳米粒子还可以方便地调节层间距的大小,从而有效地调节其半透性。然而现在大部分研究工作都集中于GO膜在水溶液中的分离性能。但是GO片层具有很好的亲水性,能在水中形成稳定的分散液。已经有研究证明未经修饰的GO膜在水溶液中是不稳定的,很容易碎裂,因此很难将其直接用于水溶液的分离。

最近,清华大学化学系石高全教授的研究团队发现GO膜在大部分有机溶剂中都表现出很好的稳定性,从而为GO分离膜在有机溶剂体系中的应用奠定了基础。相关结果发表在近期出版的Advanced Materials上。GO膜因在不同有机溶剂中的溶胀程度不同而具有不同的层间距,从而表现出不同的半透性。例如,芘溶于乙醇时可以通过GO膜,但是当其溶于正己烷或甲苯时则不能透过GO膜。因此,GO膜的半透性可以通过选择不同的溶剂或溶剂组合来进行可控调节。另外,热处理也能调节GO膜在有机溶剂中的溶胀程度,从而调节其半透性。随着热处理温度的升高,溶于乙醇中的各种分子透过GO膜的速度均会降低。当升至180度时,溶于乙醇中的芘分子会被GO膜完全阻挡,但是尺寸比芘小的分子如丙酮、甲苯等仍能透过GO膜。GO膜在有机溶剂中的稳定性和半透性使其可以用作透析膜和纳滤膜处理有机溶液。这也克服了常用的聚合物透析膜和纳滤膜一般不耐有机溶剂,在有机溶液中的分离性能会严重下降甚至会被溶解的问题。