自組裝制備氧化石墨烯框架復(fù)合膜用于氣體小分子篩分研究進(jìn)展

自組裝制備氧化石墨烯框架復(fù)合膜用于氣體小分子篩分研究進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨中科院上海高等研究院-上?？萍即髮W(xué)低碳能源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在自組裝制備氧化石墨烯框架復(fù)合膜用于氣體小分子篩分研究中取得進(jìn)展。


單層氧化石墨烯（GO）堆垛形成的二維層間納米通道可用于尺寸篩分。由于具有材料易得、制備簡單和性能優(yōu)越等特點(diǎn)，GO基膜已迅速成為當(dāng)今膜科學(xué)與技術(shù)前沿的一項(xiàng)重要和熱門課題，分離對象涵蓋氣體、液體和脫鹽等領(lǐng)域。隨著研究深入，GO基膜凸顯兩個(gè)主要問題，一是如何精確調(diào)控二維通道大小以適應(yīng)不同對象（特別是小分子）的分離需求；二是如何有效增強(qiáng)層間作用力和強(qiáng)度，提升膜的可用性。

GO基膜與分子篩膜等具有內(nèi)部強(qiáng)相互作用不同，其體相主要為pi-pi鍵和氫鍵等弱作用力，膜機(jī)械強(qiáng)度低，且客體分子在分離時(shí)可以輕易擴(kuò)大層間距，從而影響分離性能和穩(wěn)定性。增強(qiáng)碳層間的作用力最直接有效的辦法是以GO含氧基團(tuán)為“錨點(diǎn)”，通過交聯(lián)分子對GO碳層進(jìn)行共價(jià)橋連，從而形成層間距均一的氧化石墨烯框架（GOFs）。為同時(shí)達(dá)到控制層間距滿足小分子篩分的目的，交聯(lián)分子需擁有多活性基團(tuán)，且尺寸越小越有利于層間距控制。


在該研究中，研究員孫予罕、曾高峰團(tuán)隊(duì)選擇了具有雙NH2-和C=S-多活性終端，分子骨架僅有3原子，且具有弱還原性的硫脲（TU）作為交聯(lián)分子。為獲得均質(zhì)連續(xù)的GOF復(fù)合膜，該團(tuán)隊(duì)首先通過載體表面嫁接的活性基團(tuán)與GO反應(yīng)，在載體上固定單層GO；再由TU、GO經(jīng)脫水縮合和親核加成反應(yīng)，在載體上實(shí)現(xiàn)周期性組裝形成均質(zhì)TU-GOF復(fù)合膜，首次實(shí)現(xiàn)層層自組裝。


通過條件控制，TU-GOF膜的層間距可精確調(diào)控，膜厚可控制在數(shù)十納米。表征結(jié)果證實(shí)，TU對碳層的固定作用極大抑制了膜在分離介質(zhì)中的溶脹變形，顯著增強(qiáng)了膜的機(jī)械穩(wěn)定性。分離結(jié)果表明，TU-GOF膜對H2具有高選擇性，如H2/CO2、H2/N2和H2/CH4理想選擇性達(dá)——200，H2滲透速率為10-7mol/m2/s/Pa。這是GO基膜首次基于二維層間篩分實(shí)現(xiàn)H2高效分離，且性能遠(yuǎn)高于聚合物膜的Robeson上限，也優(yōu)于大部分無機(jī)膜。


相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)等的資助。

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