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我国学者在二维材料纳滤膜领域取得重要进展
2021年01月25日    作者: 朱旺喜 赵志坚 杨晓伟    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(批准号:21878004, 21576003)资助下,北京工业大学环境与生命学部安全福教授与耶鲁大学Menachem Elimelech教授等合作,在高稳定氧化石墨烯(Graphene Oxide)基多级孔分离膜结构调控以及水纯化技术领域取得重要研究进展。相关成果以“高稳定快速水传输多级孔氧化石墨烯分离膜”(Graphene Oxide Membranes with Stable Porous Structure for Ultrafast Water Transport)为题,2021年1月21日在线发表于《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41565-020-00833-9。

水资源短缺已成为影响人类健康、经济和社会可持续发展的重大挑战。高性能分离膜是解决水净化和资源化的重要手段。氧化石墨烯具有超快水传输速率、精准二维传质通道、高抗污染性和易于超薄化加工的独特优势,在新型分离膜领域具有应用潜力。氧化石墨烯膜的柔性特点和制备过程中不可控贯穿纳米孔的产生,导致了其在长期运行过程中通量急剧衰减,限制了其高性能分离膜的应用。

针对以上难题,安全福教授团队提出“冷冻干燥-原位晶化”两步法构建稳定的纳米和亚纳米结构的氧化石墨烯分离膜,首先采用纳米冰晶模板技术同步扩增膜内二维层间通道和纵向贯通纳米通道,大幅度降低传质阻力;进一步在纵向贯通纳米孔处原位生长ZIF-8。该复合结构保持了原有氧化石墨烯层间快速水传质的二维亚纳米通道,同时构筑了ZIF-8非连续堆积的纵向贯穿纳米通道,强化了膜的传质和分离过程,使其同时具有优异稳定性、高选择性及高通量。所制备的膜在连续错流运行条件下较原始氧化石墨烯膜的水通量提高近30倍,并展现出更为优异的截留性能。利用低场核磁技术分析了膜制备过程中的孔结构演化,研究了溶剂分子在氧化石墨烯/ZIF-8膜中的弛豫行为,阐明了水的高渗透性机制。

该研究工作为制备基于二维材料的高性能分离膜开辟了新的途径,同时为探测膜内多级微观结构提供了新的技术手段。

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图 高稳定的快速水传输氧化石墨烯分离膜结构和性能表征

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