中科院金属所Science Bulletin：氧化石墨烯膜的弱还原用于改善水渗透性能

【引言】

随着对洁净水需求的不断增加，先进的膜过滤技术得到了迅速发展。氧化石墨烯（GO）膜具有规则的纳米级二维孔道结构，因而有望用于高效的水净化过滤膜，近年来得到了人们的广泛关注。然而，由于GO片层存在大量的含氧官能团，能够与水分子产生氢键作用，水分子在GO膜二维孔道中传输时会受到氢键阻力，导致其水渗透性差。而且在水溶液中，水分子会与GO片层边缘的羧基发生水合作用，带负电荷的羧基官能团会由于静电斥力使GO片层相互排斥，进而破坏薄膜的孔道结构，使其易于破损。因此，为了实现GO膜在过滤中的实际应用，需要对其进一步修饰以调整薄膜的孔结构和表面化学性质，进而保持其结构稳定性和改善水渗透性。本文研究了还原度对GO膜结构和分离性能的影响，所得弱还原GO膜的水通量分别是GO膜和高度还原的GO膜的4倍和10⁴倍以上。

【成果简介】

近日，中科院金属所的任文才（通讯作者）等人，研究了还原度对GO膜结构和分离性能的影响。他们采用较温和的水热还原方法，通过调控GO分散液的水热处理温度或时间，实现了对GO还原度的控制。研究发现，弱还原保留了GO纳米片的良好分散性和亲水性。更为重要的是，弱还原不仅增加了GO纳米片中sp²区域的数量，而且弱还原的GO膜在大多数区域保持了与GO膜相当的层间距。弱还原的GO膜的水通量可达56.3 Lm^-2h^-1bar^-1，分别是GO膜和高度还原的GO膜的4倍和10⁴倍，并且其对多种染料分子的截留率均超过了95％。此外，弱还原的GO膜在酸性和碱性环境中显示出比GO膜更好的结构稳定性和更优异的分离性能。相关成果以“Controlling reduction degree of graphene oxide membranes for improved water permeance”为题发表在Science Bulletin 2018年第12期上。

【图文导读】

图 1 GO和HTrGO（Hydrothermal reduced GO, HTrGO）分散液的表征

（a）GO纳米片的SEM照片；

（b）0.1mg/ mL GO分散液的光学照片；

（c）120度水热还原后120-HTrGO分散液的光学照片；

（d-e）GO、120-HTrGO、150-HTrGO和180-HTrGO分散液的Zeta电位图及其UV-vis吸收光谱图。

图 2 GO和HTrGO纳米片的化学状态与微观结构表征

（a）GO纳米片的高分辨率C 1s XPS光谱图；

（b）120-HTrGO纳米片的高分辨率C 1s XPS光谱图；

（c）150-HTrGO纳米片的高分辨率C 1s XPS光谱图；

（d）180-HTrGO纳米片的高分辨率C 1s XPS光谱图；

（e）GO、120-HTrGO、150-HTrGO和180-HTrGO纳米片的拉曼光谱图。

图 3 GO和HTrGO膜的层间结构表征

（a）GO、120-HTrGO、150-HTrGO和180-HTrGO膜的XRD谱图；

（b）GO、（c）120-HTrGO、（d）150-HTrGO和（e）180-HTrGO膜横截面的SEM照片。

图 4 GO和HTrGO膜的润湿性和分离性能

（a）室温下GO、120-HTrGO、150-HTrGO和180-HTrGO膜的接触角图；

（b）在纯水和亚甲基蓝（MB）溶液中，GO、120-HTrGO、150-HTrGO和180-HTrGO膜的水通量；

（c）不同分子尺寸、不同电荷类型的染料溶液中，120-HTrGO膜的水通量和截留率；

（d）不同膜载量的120-HTrGO膜的水通量和染料截留率；

（e）120-HTrGO膜过滤EB的UV-vis吸收光谱图。

图 5 GO和120-HTrGO膜在不同pH值的水溶液中的稳定性和分离性能

（a）不同pH值的水溶液中，GO（左）和120-HTrGO（右）薄膜浸泡1周后的光学照片；

（b）不同pH值的水溶液中，GO和120-HTrGO膜的水通量及其对RhB分子的截留率。

【小结】

本文采用温和水热处理方法实现了对GO纳米片的可控还原，研究了还原度对GO膜结构和分离性能的影响。发现弱还原不仅保留了GO纳米片的良好分散性和亲水性，而且在增加了纳米片中sp²区域数量的同时，使薄膜在大多数区域保持了GO膜的层间距。弱还原膜的水通量可达56.3 Lm^-2h^-1bar^-1，分别是GO膜和完全还原的GO膜的4倍和10⁴倍以上，而且对于各种染料表现出超过95％的高截留率。此外，在酸性和碱性环境中，弱还原GO膜显示出比GO膜更好的结构稳定性和更优异的分离性能。

该工作加深了还原对GO膜结构影响的理解，为高性能GO基分离膜的设计提供了新的思路。与基于其他二维（2D）材料的薄膜（如过渡金属硫化物和MXene的薄膜）相比，水热还原的GO膜在化学状态和微观结构的调控方面具有更大的灵活性，对于满足不同的分离应用具有重要意义。

相关阅读

Zhang Q, Qian X, Thebo KH, et al. Controlling reduction degree of graphene oxide membranes for improved water permeance. Sci Bull, 2018, 63(12): 788-794

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.05.015

Science Bulletin是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社与Elsevier共同出版的自然科学综合性学术刊物, 致力于快速发表自然科学与技术各领域的原创性研究成果、有洞察力的综述、前瞻性展望以及对热点科学问题的报道和评论。

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