上海高研院氧化石墨烯膜材料研究取得進展

　　近日，中國科學(xué)院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程重點實驗室暨上海高研院-上?？萍即髮W(xué)低碳能源聯(lián)合實驗室，在電沉積氧化石墨烯復(fù)合膜用于精確尺寸篩分方面取得進展。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然•通訊》上。

　　混合物分離是工業(yè)生產(chǎn)中的高耗能環(huán)節(jié)，膜分離技術(shù)具有低能耗、高效率和低成本等優(yōu)勢。作為一種新興的膜材料，氧化石墨烯及其衍生物等二維材料在溶劑、離子等液相分離以及氣體分離中均表現(xiàn)出良好的分離性能，成為膜分離領(lǐng)域的研究熱點之一。但是，如何精確調(diào)控（降低）氧化石墨烯的二維層間距以適應(yīng)不同尺寸的分子或者離子的高效篩分，以及如何增強氧化石墨烯這種柔性材料的機械強度，是該領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的難點課題。

　　曾高峰研究團隊在前期工作（Chem Commu,、RSC Adv,）的基礎(chǔ)上，開發(fā)并驗證了一種在多孔不銹鋼中空纖維上電沉積快速制備超薄氧化石墨烯復(fù)合膜的方法，既可以有效縮小二維層間距又增強了膜的機械性能。在環(huán)形電場作用下，氧化石墨烯首先在對電極上發(fā)上部分電還原，再經(jīng)靜電力推動沉積在工作電極不銹鋼中空纖維表面，形成超薄均勻的氧化石墨烯膜。通過電還原能夠在一定范圍內(nèi)控制氧化石墨烯的二維層間距，從而適用于特定的分離體系。研究發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化的沉積條件下所得的氧化石墨烯復(fù)合膜能夠精確篩分尺寸非常接近的C2（乙烷和乙烯）和C3（丙烷和丙烯）烴類分子（圖1），C2/C3的理想選擇性達到190-550。C2和C3烴類分離在天然氣純化、甲醇制烯烴（MTO）和費托合成烯烴（FTO）等工業(yè)過程中具有現(xiàn)實的分離需求。此外，電沉積氧化石墨烯復(fù)合膜在醇類脫水和海水脫鹽的液相分離中表現(xiàn)出極高的選擇分離性能，能夠高效篩分最小的醇分子和離子。

　　研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委和中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。

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電沉積氧化石墨烯膜尺寸篩分示意圖和氣體滲透性能