还原氧化石墨烯自组装膜及其在有机介质中分子分离的应用

Membrane separation technology plays an important role in water treatment, food processing, chemical and pharmaceutical industries. So far, the majority of separation membranes are based on polymeric materials. However, they often show poor tolerance to high temperatures, oxidants, strong acidic/alkaline regents, and/or organic solvents，and only applicable to special organic systems. Graphene materials, especially chemically modified graphenes that can be cheaply prepared in a large scale, have a unique atom-thick two-dimensional structure, high mechanical strength and electrical conductivity, excellent chemical stability; thus they provide a new chance for developing high-performance membranes for molecular separation in organic media. However, a pristine reduced graphene oxide membrane cannot be directly applied for this purpose because of its extremely small nanochannels. This project will control the sizes of the nanochannels of self-assembled membranes of reduced graphene oxide and their surface compositions and properties to realize efficient and selective permeation of solute molecules, developing new-generation graphene-based nanofiltration membranes with high solvent flux, high efficiency of molecular separation, and excellent chemical tolerance. This project will achieve new knowledge and discover new mechanism and systems in the research field of assembly and hybridization of graphene, and provide technical and material innovations for organic nanofiltration.

膜分离技术在水处理、食品加工、化工和制药工业中有着广泛的应用。现有的商用高分子基有机纳滤膜的耐温和耐氧化性能差，不耐酸不耐碱，且只适用于特殊的有机体系。石墨烯材料，特别是可以宏量制备的还原氧化石墨烯，具有独特的单原子厚度二维结构，高的力学强度与导电性和优异的化学稳定性；为开发高性能分子分离膜提供了新的机遇。但是，还原氧化石墨烯膜的纳米通道过小，无法被直接用于有机介质中分子分离。本项目将通过溶剂交换，复合组装与聚合物电解质修饰调节还原氧化石墨烯膜纳米通道的尺寸、表面组成和性能，实现在有机介质中溶质分子的高效选择性透过；开发出新一代具有高溶剂通量、高分离效率、优异化学环境稳定性的石墨烯基有机纳滤膜。该项目的确立与完成有望在石墨烯可控组装与复合这一基础研究领域获得新知识，发现新原理和新体系；在有机纳滤膜的开发与应用方面建立新技术与新工艺，研制出高性能有机分子分离膜材料。

膜分离技术在水处理、化工、制药等行业中有着广泛的应用。化学修饰石墨烯材料具有优异的力学、导电性能，耐酸、碱和有机溶剂；可通过溶液加工方法组装成薄膜材料、通过化学修饰或复合组分调控其纳米通道尺寸和表面电荷，是一类新型的膜分离材料。本项目发展了系列化学氧化剥离方法，通过调控石墨粉尺寸、氧化剂种类、氧化反应温度、浓硫酸反应体系含水量及反应过程等参数，利用改进的Hummers方法实现了不同尺寸、不同官能团化程度和缺陷密度氧化石墨烯前驱体材料的可控制备；设计合成含有硼酸官能团的高分子复合组分（BA），通过溶液相复合、真空辅助抽滤制备了GO-BA超薄复合膜，其在有机体系的纳滤性能同GO膜相比有了显著提高。复合膜在水中浸泡一个月后，其性能基本保持不变，对酸性品红（AF）甲醇溶液的截留率仍在95%以上；实现了外加电场对rGO薄膜纳滤行为的动态调控。通过调控外电场强度和方向，使具有负电荷分子受到附加电场力，rGO膜对亮蓝（BB）和AF的截留率显著提升，接近100%，并具有良好的循环稳定性；以阳离子型聚电解质（PDDA）对rGO薄膜修饰，通过调控外场强度和方向，rGO-PDDA膜对阳离子型结晶紫（CV）、碱性品红（BF）、亚甲基蓝（MB）以及阴离子型AF和亮黄（BY）的截留率均显著提高，接近100%。通过选用不同纳滤膜（rGO或rGO-PDDA膜）、外电场方向和强度，结合纳滤膜对待测分子的截留率差异，实现了对多组分（阴离子、阳离子和电中性分子混合物）的有效分离；在石墨烯纳滤膜研究工作基础上，构建了热响应亲水双骨架结构石墨烯/高分子复合多孔材料。高分子交联的氧化石墨烯具有分子和离子的过滤效果，同时能够将太阳光转化为热能，实现了对海水的高效净化。上述研究结果揭示了石墨烯薄膜材料结构、复合组分及外加电场与薄膜纳滤性能间的构效关系，为制备高性能膜分离材料提供了新思路。