单层纳孔石墨烯膜对金属离子选择性分离的研究

The membrane separation technology is widely used in environmental science, biomedical, industrial production, it was very important to The membrane separation technology is widely applied in environmental science, biomedical, industrial production, it was very important for development of membrane technology to prepare a filtration membrane similar to the cell membrane with highly selective ions separation. This project will use high-energy heavy ion beam to irradiate graphene, and combined with preparation techniques of the nuclear pore membrane, for preparation a large area, easily fixed, damaged hard nano-pores graphene; the effect of pH , temperature and initial concentration on the separation of metal ions with nano-pores graphene, and separation kinetics and thermodynamics were studied deeply in order to clarify the mechanism of selective separation. We firstly use the topic of nano-pores graphene to separate metal ion, and propose a new method using the ions exchange interaction across graphene membrane to achieve efficient separation of the complex ions, which will expand the range of applications of graphene in environmental decontamination, water purification researches.

膜分离技术在环境科学、生物医学、工业生产中大量应用，研究一种类细胞膜的高选择性离子过滤膜，对膜分离技术的发展有重要的意义。本课题利用高能重离子束辐照单层石墨烯，结合核孔膜制备技术，制备可用于分离的大面积、易固定、难破损的纳孔石墨烯材料；研究pH 值、温度及初始浓度等条件对纳孔石墨烯金属离子分离效果的影响，并深入研究分离动力学和热力学，进一步弄清水溶液中纳孔石墨烯对金属离子选择性分离机理。该课题首次将纳孔石墨烯膜应用于金属离子分离中，利用石墨烯表面纳米孔周边修饰基团对金属离子的络合能力强弱，以及单层石墨烯膜两侧离子浓度差，使孔周围修饰基团作为一种交换媒介，实现膜两侧离子之间的相互转运，进而实现金属离子连续高效分离。在此基础上提出一种水溶液中复杂离子的新型分离方法，既拓展了石墨烯材料的应用范围，也为环境去污、海水净化、细胞膜仿生等领域的研究提供新方向。

膜分离作为一种重要的分离分析手段普遍用于海水淡化、废水处理等领域，该技术主要利用膜上小孔径的限制作用实现不同尺寸物质的分离，但无法对大小相似、化学性质不同的离子进行过滤分离，因此膜透析法很难实现溶液中多种金属离子之间的分离。石墨烯是一种目前已知的最薄纳米材料，如果在石墨烯表面制备出可控尺寸的孔洞，将其制造成一种单原子层的过滤膜，那么即可利用其孔径大小实现水溶液中的无机离子的选择性分离分析。许多科研工作者对这种单原子纳孔石墨烯材料的分子或离子分离过程进行了详细的模拟计算，结果表明单原子层石墨烯表面的不同尺度纳米孔具有过滤气体分子和金属离子的应用潜质，然而现有技术很难制备出可用于溶液中离子渗透的单层多孔石墨烯膜，因此尚未有进一步实验证实。基于此，本课题采用重离子辐照技术，在单层石墨烯表面成功制备出亚纳米孔径的通道，表征发现重离子辐照致使纳米孔带有一定数量的含氧基团。随后，结合化学蚀刻技术，成功制备出可穿透的PET基单层多孔石墨烯过滤膜。化学蚀刻并不影响石墨烯纳米孔的结构和组成，但是能在PET基底上制备出与石墨烯纳米孔相贯穿的较大尺寸圆锥形纳米孔。分离实验表明：该膜可成功用于溶液中金属离子的选择性分离，实现不同元素相同价态、相同元素不同价态的金属离子的高选择性分离。进一步研究表明，电场、酸度均可促进离子的石墨烯纳米孔的透过速率，但是高电场并不利于离子的选择性的提高。结合密度泛函理论模拟计算，证实石墨烯纳米孔对金属离子的选择性分离过程源于纳米孔周围含氧基团对离子的选择性络合作用。通过该项目实施，我们建立了一种新型PET基单层多孔石墨烯的制备技术，同时阐明了石墨烯纳米孔对于离子的选择性分离机理，进而提供了一种新型的膜分离方法。该项目的结题对于石墨烯膜分离研究提供了重要的理论和实验依据，为石墨烯在分离分析领域的研究奠定了基础，进而加速了石墨烯工业化应用步伐。