石墨烯膜的制备与功能化结构调控

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1、石墨烯膜的制备与功能化结构调控　[摘要]石墨烯膜是一类新型的层状材料，它与其它的膜材料相比，具有更多的优异的性能，比如良好的导电性、机械性能高、分离性能好，因此在传感器、超级电容器、微纳器件、光电器件和分离膜等领域展示了非常好的应用潜力。由于氧化石墨烯层间距相对于石墨烯的层间距要大，本次实验通过对石墨烯膜进行一系列的结构及表面官能团的改性，且通过调控氧化石墨烯膜层间距的方法来改变膜通道的大小，制备出功能化石墨烯膜，并对这些功能化石墨烯膜进行系列的表征，探究了功能化石墨烯膜筛分小离子的原理及机制，实验中石墨烯膜通量较小而且截留效果不明显。但通过调控氧化石墨烯膜通道的大小可以将其应用到不同的领域，

2、比如水的提纯、污水处理等等，这对工业和环境起到至关重要的作用。石墨烯膜因其超薄、高通量、分离性能好等优点很可能成为下一代膜材料。　　[关键词]石墨烯膜分离膜膜通道　　：TB383.1：A：1009-914X（2018）05-0014-01　　0、前言　　石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，其结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构的稳定性[1]。石墨烯膜同样具有这些优越的性能，且石墨烯膜制备工艺简单，能够节省更多的能源。石墨烯膜能够承受一定的压力，并且可以较为精

3、确地达到分离或去除离子的目的。功能石墨烯膜作为一种新的分离技术，具有简单有效，在成本上也远低于现有的其他技术等优点[2-3]。　　本实验采用氧化-还原法制备石墨烯，该方法成本低廉且容易实现，可以制备稳定的（氧化）石墨烯悬浮液，解决了石墨烯在极性溶剂中不易分散的问题。用真空抽滤的方法制备氧化石墨烯膜，选择适宜浓度的氧化石墨烯水溶液进行抽滤。抽滤的时候采用混合纤维素膜作为基底，基底膜的孔径不影响分子或者离子的通过，而且还能够起到支撑膜的作用，提高氧化石墨烯膜的机械强度。着重于对石墨烯膜层间距进行调控。以石墨烯本身的特有性质为基础，调控出一系列石墨烯膜，设计最优的过滤离子的通道。我们通过XRD图谱分

4、析，并使用SEM对制备的材料进行表征。同时探索在离子过滤中，石墨烯膜起到过滤作用的内在机制。研究石墨烯膜过滤時，液体中的离子或分子以及溶剂本身与石墨烯膜的相互作用，及它们与石墨烯膜通道的相互关系。　　1.实验部分　　用Hummers氧化还原法[4-5]制备出石墨烯，称取石墨烯200mg，量取去离子水400ml加入塑料烧杯中，配置浓度为0.5mg/ml的石墨烯溶液；于40khz100离心8min，去除沉淀部分未剥离片层或较大片层。取5ml石墨烯溶液于菌种瓶中待测石墨烯片层特性；在砂芯漏斗中铺上孔径为0.22um，直径为1.5cm的纤维素酯混合膜，取50mlGO溶液，真空抽滤成石墨烯膜（滤液多次反

5、复抽滤）；自然风干2h，将膜从砂芯漏斗中取下。　　2.结果与讨论　　本实验旨在对石墨烯膜进行一系列的结构及表面官能团的改性，制备出功能化石墨烯膜，并对这些功能化石墨烯膜进行系列的表征，探究功能化石墨烯膜筛分小离子的原理及机制。探索石墨烯膜通量与截留效果，结论如下：　　1、通过布拉格方程2dsinθ=nλ，一般常用制备的原始石墨的层间距为0.336nm，氧化石墨的层间距为0.796nm。　　2、由图2-1的SEM表征可见，所得的石墨烯片层较薄，尺寸约110-210um。　　3、由图2-2可见，83目石墨烯膜的层间距为0.818nm，500目石墨烯膜的层间距为0.813n

6、m，10000目石墨烯膜的层间距为0.930nm。　　3、同样通过SEM表征测得，83目20ml所得膜的厚度约为19μm；100目20ml所得膜的厚度约为19μm；10000目20ml所得膜的厚度约为11μm。　　4、膜的通量为0.129L/m2.h.MPa，83目、500目、10000目石墨烯膜过滤后的滤液电导率分别为4.53ms/cm，4.02ms/cm，7.63ms/cm。　　3结论　　采用氧化石墨烯水溶液制备成膜，我们可以调控氧化石墨烯膜层间距的方法来改变膜通道的大小来处理不同的分子或者离子分离。对氧化石墨烯膜的部分还原，可以去除氧化石墨烯上面部分含氧基团，这样可以改

7、变膜的层间距，从而改变通道性能；在LBL自组装方法中可以引入大小不同的有机小分子，通过小分子将氧化石墨烯更好的粘结在一起，这不仅可以调控膜通道的大小，还可以增加膜的机械性能。通过调控氧化石墨烯膜通道的大小可以将其应用到不同的领域，比如水的提纯、污水处理等等，这对工业和环境起到至关重要的作用。（氧化）石墨烯膜因其超薄、高通量、分离性能好等优点很可能成为下一代膜材料。