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我国学者在氧化石墨烯膜研究领域取得重要进展
2017年10月16日    作者: 孙宏伟,张国俊    发布 : 化学科学部

氧化石墨烯膜层间距的精确调控是其应用于水处理、离子/分子分离以及电池/电容等领域的关键。然而,将氧化石墨烯纳米片精确“装订”成氧化石墨烯膜并固定层间距是一项极具挑战性的工作。近期,中国科学院上海应用物理研究所方海平、上海大学吴明红、南京工业大学金万勤和浙江农林大学学者多方合作,提出并实现了用水合离子自身精确调控氧化石墨烯膜的层间距。该膜展现了出色的离子筛分和海水淡化性能。相关工作以“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”为题于10月9日在线发表在Nature上。

方海平团队提出溶液中离子本身可有效控制氧化石墨烯膜的层间距,并进行了相应的理论模拟计算。他们利用上海光源的X射线小角散射(BL16B1)、精细吸收谱(BL14W1)以及紫外等表征手段证实了离子与石墨烯片层内芳香环之间存在水合离子-π相互作用。这种相互作用像“桥墩”一样支撑氧化石墨烯片层,而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”,可精确调控层间距。吴明红团队通过实验成功实现并观测到氧化石墨烯膜与不同离子溶液作用后的特定层间距,该间距可以小到一纳米左右,而不同离子作用后对应的膜层间距差异在埃米级。金万勤团队设计制备了一系列水合离子调控的多孔陶瓷支撑的氧化石墨烯复合膜,实现了不同离子的精确筛分。对于具有最小水合直径的钾离子,由于钾离子的水合层较弱,进入氧化石墨烯膜后水合层发生形变,导致层间距特别小。这样,经过钾离子溶液浸泡的氧化石墨烯膜能有效截留盐溶液中包括钾离子本身在内的所有离子,但仍能有效通过水分子。这一研究不仅为氧化石墨烯膜的设计制备提供了理论与技术指导,也为其它二维材料在分离膜领域的研究开辟了新思路。                                             

金万勤nature成果图.jpg

图. 离子精确“装订”氧化石墨烯膜用于离子筛分和海水淡化。(左)阳离子调控氧化石墨烯膜层间距;(中)陶瓷支撑的氧化石墨烯膜的单离子渗透测试;(右)阳离子与两层氧化石墨烯片之间的理论计算

上述研究得到国家自然科学基金重大和重点项目(项目编号:11290164,41430644,21490585,11574339,11404361,21476107,11722548)等资助。

原文链接:http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature24044

(化学科学部,孙宏伟,张国俊)

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