近日,中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室曾高峰研究員團隊在石墨烯複合膜的改性與結構調控及在海水淡化中的分離機理的研究取得新進展。該工作以“Interfacial Ions Sieving for Ultrafast and Complete Desalination through 2D Nanochannel Defined Graphene Composite Membranes”為題發表在《美國化學會納米》(ACS Nano)上。
二維石墨烯基資料,如氧化石墨烯(GO),因其接近單原子厚度、可調控的納米結構以及不易降解結垢的特性,在膜分離領域取得了大量研究成果。但是,GO膜在小離子脫鹽中並沒有優异效能,這是因為GO片層的親水性和層間弱相互作用會阻礙水傳輸並易溶脹。而石墨烯不僅具有二維結構,其具有憎水光滑低阻表面,使其在脫鹽方面具有很大潜力。
該團隊在前期膜資料研究基礎上(ACS Cent Sci2019,5,1834;Adv Mater2018,1705775;J Membrane Sci2018,552,13;Nat Commun2017,8,825;Chem Eng J2017,313,957),開發了一種簡單易行的硫醇-烯點擊法製備全氟烷基接枝石墨烯(fGraphene)複合膜,其片層通道被精確控制在~1.1 nm。在接觸式膜蒸餾測試中,fGraphene膜對鹽水小離子具有近乎完全的脫鹽率,而水通量則達到30 LMH,比商用膜和GO膜高數十倍(圖1)。fGraphene膜優异的快速離子脫除效能歸因於其獨特的雙重傳質孔道網絡,即大部分液態水不經過相變直接從二維納米通道介面傳輸。這項工作首次展示了在堆疊態多層石墨烯基膜上能够實現高效脫鹽,提供了石墨烯膜功能化的可靠方法,揭示了一種特殊的傳輸機理,也為石墨烯資料在膜分離領域的更多潜在應用提供了可能。
圖1 fGraphene膜介面篩分示意圖及不同濃度NaCl溶液的水通量
論文第一作者為中國科學院上海高等研究院博士生宮典、碩士生印一忱和陳慧玲。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院青促會和上海市科委等項目的資助。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c00987