三维立体氧化石墨烯膜的构建、制备和海水淡化性能研究

Aiming at the development of three-dimensional graphene oxide membrane used for seawater desalination, the project puts forward design, construction, and preparation of three-dimensional graphene oxide membranes through the covalent reactions between the molecular linkers and graphene oxide. By adjusting the physicochemical properties of the molecular linkers, such as the length of carbon chain, the rigidity and surface functional groups, to control porosity, pore size, permeability and surface properties like surface charge, ion adsorption and covalent interactions of the three-dimensional graphene oxide membrane, therefore it can expected to prepare high stabile, high permeate, high selective graphene oxide membrane used for seawater desalination. The influence of the length of carbon chain rigid flexible properties and other physicochemical properties of the molecular linkers as well as preparation technology on the morphology, structure, permeability and separation performance of the three-dimensional graphene oxide membrane will be investigated in detail, revealing the correlation properties between the macroscopic properties of the graphene oxide films and microstructure and physical and chemical properties of the organic molecular linkers. The adsorption and diffusion behavior rules of water molecules, Na+, Cl¯in the pore of three-dimensional graphene oxide membrane are evaluated by molecular diffusion and ion migration theory and mathematical simulation, providing reliable and scientific insight to the development of graphene oxide film with excellent performance of seawater desalination.

本项目以开发用于海水淡化的三维立体氧化石墨烯膜为研究目标，提出利用分子链接体和氧化石墨烯之间的共价键合作用构建具有三维立体结构的氧化石墨烯膜。通过调节分子链接体的碳链长度、刚柔性和表面官能团等理化特性精确调控三维立体氧化石墨烯膜的孔隙率、孔径大小、渗透性和表面特性（离子吸附、表面电荷以及共价作用），从而制备得到高稳定、高通量、高选择性能的氧化石墨烯膜，并用于海水淡化。详细考察分子链接体的碳链长度及刚柔性等物化特性和制备工艺对三维立体氧化石墨烯膜的微观形貌和结构、渗透和分离性能的影响规律，揭示有机分子链接体的微观物理化学特性和氧化石墨烯膜宏观性能的相关性。通过分子扩散及离子迁移理论和数学模拟，深入探讨水分子和Na＋、Cl¯等离子在三维立体氧化石墨烯膜孔道中的吸附和扩散行为规律，为开发具有优异海水淡化性能的氧化石墨烯膜提供可靠的科学认知。

氧化石墨烯膜不仅具有超高的机械强度、良好的物理和化学稳定性等优异特性，而且氧化石墨烯表面含有丰富的羟基、羧基和环氧基等有机官能团, 为海水淡化膜材料的发展带来了新机遇，具有广阔的应用前景。本项目在自然科学基金的资助下，利用氧化石墨烯表面含有丰富的羟基官能团，采用功能分子对氧化石墨烯进行功能化修饰，在氧化石墨烯层之间搭建“支撑”和“桥梁”，随后通过真空抽滤法在多孔基体表面制备得到具有三维立体结构的氧化石墨烯膜，并用于海水淡化。取得的主要研究成果包括: 1）针对氧化石墨烯膜与多孔基体的结合力弱、在很短时间内便从多孔基体表面剥离下来的问题，利用多巴胺的优异的聚合和粘合性能，通过多巴胺对多孔氧化铝表面进行功能化修饰，在基体表面引入有机功能团，从而增强氧化石墨烯膜和多孔基体表面的结合力，大大提高了氧化石墨烯膜的稳定性，在多孔氧化铝基体上制备出了均匀致密、具有优异海水淡化性能的氧化石墨烯膜；2）利用氧化石墨烯表面含有丰富的羟基官能团，通过1,4丁二胺等功能分子在氧化石墨烯层之间搭建“支撑”和“桥梁”，制备得到具有三维立体结构和优异海水淡化性能的氧化石墨烯膜。详细考察了功能分子的碳链长度、刚柔性及表面官能团等物化特性和制备工艺对三维立体氧化石墨烯膜的微观形貌、结构和海水淡化性能的影响规律，为氧化石墨烯膜的性能调控和优化提供研究基础和科学认知；3）针对氧化石墨烯膜柔韧性差的缺点，通过氧化石墨烯和聚酰亚胺的共价键合作用，开发出了高稳定、高强度、并具有优异海水淡化性能的氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜。. 通过本项目的实施，在Journal of Membrane Science, Chemical Engineering Science, Carbon, Desalination, Angewandte Chemie International Edition, Journal of Materials Chemistry A等国际高影响力期刊发表SCI收录论文16篇，申请中国发明专利4项，已经授权2项，培养硕士研究生4名。