《石墨烯新应用,可以过滤有机溶剂的超级纳米膜》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 姜山
  • 发布时间:2017-11-16
  • 由碳基材料-氧化石墨烯制成的薄膜,是一种优良的水溶液分子筛,但迄今为止,人们认为它们不能过滤有机溶剂。一个由英国,中国和西班牙组成的研究团队,现在已经发现,实际上这种薄膜对有机溶剂也具有渗透性,这得益于材料中存在的石墨烯短通道,大约1纳米宽,它们相互关联且随机分布。这一最新研究结果有助于化工、医药和石化行业净化和过滤技术的发展。

    石墨烯是一种单层片状碳原子,它只有一个原子的厚度,其中,碳原子被排列在蜂巢状的晶格中。氧化石墨烯(GO)与普通的石墨烯类似,但表面覆盖着含氧基团,如羟基,氧化石墨烯片很容易堆叠在一起,形成极薄的,机械强度很强的薄膜。这些薄膜由数以百万计的,较小的薄片氧化石墨烯组成,在这些薄片之间存在纳米通道(或毛细管)。

    2012年,由英国曼彻斯特大学Sir Andre Geim(2004年发现了石墨烯)领导的一个研究小组发现,除了水之外,石墨烯膜可以渗透所有的气体和蒸汽。事实上,Geim的团队发现,水会以极快的速度通过石墨烯膜,即使其它气体和液体被完全阻断。

    HLGO完美的层状结构

    到目前为止,人们认为氧化石墨烯对有机溶剂是不可渗透的,因为人们对其了解甚少。曼彻斯特Rahul Nair和Yang Su为首的研究人员,现在已经发现,超薄氧化石墨烯膜(即高度片层氧化石墨烯,或者HLGO)实际上是对有机溶剂具有极大的渗透性(如酒精),这是由于他们完美的层状结构。这个结果令人欣喜,因为有机溶剂使用的常规聚合物纳米滤膜(OSN),溶质分子难以从有机溶剂中分离出来,往往不是很耐有机化学品。而陶瓷无机膜用于制造业,成本高,效率低。

    研究团队制作的HLGO膜表面光滑,二维纳米管大约10–20微米厚。这种薄膜可以非常薄(只有10纳米),而不会失去任何过滤特性。

    HLGO薄膜是目前最先进的有机溶剂纳米膜

    Nair解释说:“使用这些膜过滤多种有机染料分子(小至1 nm),甚至是溶解在有机溶剂中的苯环也可以,我们发现,他们只允许溶剂渗透,而是否阻塞染料分子取决于他们分子大小。可以看到,没有染料分子通过后,溶液的颜色是无色的,因为它不再含有任何染料分子,只包含溶剂。

    为了使这种膜成为高效过滤器,它们需要溶液以高流速通过,而且它们也必须有一个精确的筛孔尺寸,他补充说。由于膜的独特结构,我们的氧化石墨烯膜满足了这两个标准。事实上,在染料分子截留与溶剂通量方面,我们的膜毫无疑问是最先进的。”

    桥联孔让膜成为一个原子尺度的筛子

    我们制作的膜具有独特的层状结构,每一层含有许多小孔,他告诉nanotechweb.org。“低于一个临界厚度,这些小孔会穿透膜,因此不能筛选什么。然而,厚度超过8 nm(或八层氧化石墨烯),这些石墨烯纳米通道大约为1nm,可以使膜成为一个原子尺度的筛子”。

    研究人员说,考虑到这些膜对化学物质的抵抗能力,它们可以用于各种过滤应用。例如,他们可以收回小分子有机溶剂,或从多余的溶质分子中分离溶剂,”Nair解释。这给化学、制药和石化工业带来了新的应用。例如,在药品行业中,高质量的分离和浓缩过程是从稀悬浮液中获得高纯度产品的关键。这些过程增加了药物分子的生产成本,所以更有效的分离膜可能有助于降低成本。

    研究团队的研究结果发表在Nature Materials杂志上DOI: 10.1038/nmat5025,他们正在为这种新型薄膜寻找其它测试方法和具体应用。

    原文来自nanotechweb,原文题目为Graphene-oxide membranes filter organic solutions

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