氧化石墨烯固液界面的同步辐射研究

Because of its unique 2-dimensional structure, graphene oxide membranes have attracted much attention in the scientific community and exhibit great potential in filtration, sieving and separation applications. The interlayer distances of graphene oxide membranes play an important role in understanding their remarkable selectivity in permeation of water molecules and other ions. Based on synchrotron radiation X-ray diffraction techniques, in this project, we intend to build an in-situ solid-liquid platform at beamline BL14B1 of Shanghai Synchrotron Radiation Facility, and develop the sub-second two-dimensional solid-liquid X-ray diffraction technique. Basing on this platform, we will study the microstructure of graphene oxide in solution, the structure and phase transition of water in the interlayer of graphene oxide, the interlayer interaction of graphene with ions. Through this project, we will provide a frontier in-situ synchrotron radiation solid-liquid platform and time-resolved x-ray diffraction techniques for domestic and international researchers.

氧化石墨烯薄膜具有独特的水渗透能力及离子选择性，在水处理和分离领域具有广阔的应用前景，是当前科学研究的前沿热门领域之一。其传质特性主要由氧化石墨烯层间的二维亲水毛细管通道决定，因此如何实现对氧化石墨烯层间结构的原位探测，了解并调控其固液界面特性是调控氧化石墨烯薄膜传质特性的关键。在本项目中，基于同步辐射衍射技术，在上海光源设计搭建氧化石墨烯固液界面研究平台，发展亚秒级时间分辨的固液界面二维衍射实验方法，针对氧化石墨烯在溶液中的层间结构特性与调控，氧化石墨烯中层间水的结构与相变，金属离子与氧化石墨烯的相互作用机制等基础问题进行系统性研究。本项目的实施期望推动氧化石墨烯固液界面特性的深入研究和同步辐射关联技术的应用发展。

氧化石墨烯薄膜具有独特的水渗透能力及离子选择性，在水处理和分离领域具有广阔的应用前景，是当前科学研究的前沿热门领域之一，其传质特性主要由氧化石墨烯层间的二维亲水毛细管通道决定，因此如何实现对氧化石墨烯层间结构的原位探测，了解并调控其固液界面特性是调控氧化石墨烯薄膜传质特性的关键。基于同步辐射X射线衍射技术，在本项目中，搭建了氧化石墨烯固液界面研究平台，发展亚秒级时间分辨的固液界面二维衍射实验方法,满足不同条件及衬底上氧化石墨烯的固液界面原位实时观测等研究需求; 通过本项目，已经在上海光源BL02U2线搭建了固液界面氧化石墨烯原位测试环境，可以为国内外科研工作者提供相关实验条件。..基于自主搭建的原位研究装置，主要做了以下工作：（1）发展了时间分辨掠入射衍射技术，并且进行固液界面中氧化石墨烯/钙钛矿量子点复合结构的结构表征，发现氧化石墨烯和钙钛矿量子点，会形成稳定结构，氧化石墨烯包裹CsPbBr3晶体表面，形成稳定的包覆层，并且我们发现发现具有很好的隔离水等物质的特性；（2）采用原位二维掠入射X射线衍射技术研究了金属离子与石墨烯氧化物纳米片之间的相互作用。我们发现，正电荷的氢氧化物和负电荷的氧化石墨烯纳米片之间存在静电相互作用。此外，基于这种超晶格模板，可以容易地通过后续退火获得石墨烯基金属氧化物纳米片；（3）利用同步辐射衍射方法研究石墨烯量子点和氧化石墨烯的复合结构的生成，发现插入石墨烯量子点，会改变氧化石墨烯的晶格尺寸，可以实现很好的晶面间距的调控，同时存在两相共存，一种是纯氧化石墨烯相，一种是复合相，通过不同石墨烯和量子点配比，可以实现两相含量的调控，在水处理领域具有很大的应用前景。