[發明專利]層間距可控的氧化石墨烯膜及其制備方法、應用

有效

• 申請號: 201610575159.5
• 申請日: 2016-07-20
• 公開（公告）號: CN107640765B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 方海平;吳明紅;石國升;徐剛;陳亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所;上海大學
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;B01D71/02;B01D69/02;B01D67/00;B01D61/00
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 薛琦;張佶穎

本發明公開了一種層間距可控的氧化石墨烯膜及其制備方法、應用。其制備方法包括下述步驟：將氧化石墨烯膜浸潤在鹽的水溶液A中浸潤至溶脹后，即得層間距可控的氧化石墨烯膜；鹽的水溶液A為含有金屬陽離子的溶液，金屬陽離子的濃度為0.25～2.5mol/L。本發明可精確控制氧化石墨烯膜的層間通道的尺寸在范圍內，以幅度進行精確的尺寸變化；本發明層間距可控的氧化石墨烯膜具有優異的機械強度，滲透實驗5h后，仍保持完整的膜狀態；制備過程簡單，易于操作，使氧化石墨烯膜具有篩選和過濾較小離子的作用，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種層間距可控的氧化石墨烯膜及其制備方法、應用。

背景技術

氧化石墨烯膜具有超薄、高流量、節能等優異的濾膜特征，被認為是過濾離子、分子的下一代濾膜(Science 2011,333,712-717)，在海水淡化、污水凈化(Science 2011,332,674-676；Science 2012,335,442-444；Adv Funct Mater 2013,23,3693-3700)、氣體分離(Acs Nano 2016,10,3398-3409)、生物傳感(Nano Lett.2010,10,3163)、質子導體(Nano Lett.2008,8,2458；Nature 2014,516,227)、鋰電池(J Am Chem Soc 2012,134,8646-54)和超級電容(Acs Nano 2011,5,5463-5471)等領域具有長遠的應用前景。與碳納米管的固定孔徑所不同的是，氧化石墨烯膜內的層間通道是由氧化石墨烯片層之間基團的相互作用疊加而形成的，層間通道的尺寸難以固定，尤其是在溶液中時，由于溶液的溶脹效應，氧化石墨烯膜的層間通道尺寸難以縮小并固定，這極大影響了氧化石墨烯膜在過濾應用的穩定性。而且未經修飾的氧化石墨烯膜層間通道約為1.3nm，可以分離過濾水合離子半徑大于0.45nm的溶質，然而實際環境如海水中普遍存在Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺和Li⁺等離子的水合半徑均小于這個臨界值，故未經修飾的氧化石墨烯膜無法真正實現海水淡化、污水凈化中的離子過濾。

到目前為止，對于氧化石墨烯薄膜而言，現有層間通道的控制方法，為在層內插入納米材料和剛性化學基團交聯，這些方法都使層間通道增大，但是該些方法控制的膜層間通道的尺寸均在2nm以上，只能分離過濾2nm以上的分子團簇，該些方法并不能夠精確控制在更小的尺寸。例如，現有技術中有采用較大的剛性化學基團交聯增大層間通道(Science2014,343,740-742；Environ.Sci.Technol.2013,47,3715-3723)。現有技術中還有通過部分還原石墨烯片層上含氧基團(氧化石墨烯膜的層間通道由氧化石墨烯片層構成，片層上含氧基團的含量影響通道大小)，以此減少基團，實現縮小層間通道(Adv Mater 2016,28,2287-2310)的效果，該方法雖然減少了含氧基團，但是由于溶液浸泡后的溶脹效應，層通道尺寸會被再次撐大。

由于溶液的溶脹效應，在溶液浸潤狀態時，如何將膜層間通道保持固定在一個較小的尺寸有效的過濾離子，仍然是很大挑戰(Adv Mater 2016,28,2287-2310)，尤其是從水溶液中分離目標離子，或者從混合鹽溶液中篩選一定尺寸范圍的離子最為困難。例如從海水、鋰基電池或超級電容中分離最普遍存在的Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺和Li⁺(Science 2014,343,740-742；Nano Lett 2014,14,1234-1241；Adv Mater 2016,28,2287-2310)。因此，如何精確縮小氧化石墨烯的層通道，同時在溶液浸泡狀態的過濾篩選過程中，繼續穩定保持層通道的大小，以實現氧化石墨烯膜對水合半徑小于0.45nm的離子(如Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺和Li⁺)的過濾或篩選，是氧化石墨烯膜應用于海水淡化、污水凈化中亟待解決的問題。