石墨烯二维层状膜的制备及其离子筛分性能研究

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近十年来,由各种二维纳米材料组装成的二维层状膜,由于其独特的层状结构、埃米至纳米层间距、埃米分辨率的分子/离子筛分性能及其在膜分离方面的应用前景而引起了人们的极大关注,例如石墨烯基二维层状膜。但是,相对于氧化石墨烯二维层状膜,由石墨烯纳米片所组装的石墨烯二维层状膜的研究还相对较少。基于此,本论文通过真空抽滤法制备出两种具有不同结构的石墨烯二维层状膜,并利用离子电导和离子转移伏安法考察该石墨烯二维层状膜的离子筛分性能。一方面,我们以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)亚微米多孔膜(孔径~0.5微米,膜直径~47毫米)为基底,以单层石墨烯纳米片(片径:0.5-3.0微米)分散液为前驱液,通过真空抽滤法制备聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/石墨烯二维层状膜(GLM),并利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等表征方法对所制得的膜结构进行表征。SEM结果表明PET膜表面形成层层堆叠的石墨烯二维层状膜(膜厚~2.1微米),XRD结果表明GLM的层间距为3.4埃米。利用离子电导法和离子转移伏安法(循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV))考察该PET/GLM膜在不同体系中的离子传输和筛分性能,结果表明PET/GLM膜具有埃米分辨率的离子传输性能,即水溶液体系中阳离子具有不同的传输速率(K+NH4+>Na+>Li+>Mg2+),而在PET/GLM膜修饰水/1,2-二氯乙烷界面体系中仅出现了K+和NH4+的离子转移响应,表明该膜在液/液界面体系中具有一定的离子筛分性能,其原因应该与阳离子的水合能及其与GLM之间的阳离子-π作用的竞争效应相关。另一方面,探索了以聚偏氟乙烯中空纤维膜(孔径~0.1-0.2微米,内外径分别为1.0和2.5毫米的)为基底,以单层石墨烯纳米片(片径:0.5-3.0微米)分散液为前驱液,通过真空抽滤法制备聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维/石墨烯二维层状膜(GLM)的方法,并通过XRD和SEM等表征方法对所得到的膜材料的结构进行表征,研究结果表明:通过控制抽滤时间可以在PVDF中空纤维膜表面形成具有不同厚度的石墨烯二维层膜(层间距~3.4埃米),而离子电导结果表明PVDF/GLM膜的离子传输性能与石墨烯二维层膜的厚度密切相关。综上,本论文利用真空抽滤法制备两种具有不同基底结构的石墨烯二维层状膜,通过离子电导和液/液界面电化学方法来考察石墨烯二维层状膜的离子筛分性能及其在膜分离方面的应用前景。本工作不仅丰富了石墨烯二维层状膜和膜修饰液/液界面电化学的研究内容,也有助于进一步拓展液/液界面电化学在纳米材料研究中的应用。
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