近日，我校理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名刊物《Journal of Materials Chemistry A》(影響因子11.301)，在線(xiàn)發(fā)表了最新研究成果“Ultrahigh water permeation with high multivalent metal ions rejection rate through graphene oxide membranes”。該研究對(duì)氧化石墨烯膜在水處理方面的應(yīng)用和改進(jìn)提供了一種全新的思路，還可進(jìn)一步延伸用于其他層狀二維膜材料的開(kāi)發(fā)，工業(yè)化應(yīng)用前景十分廣闊。
膜分離是一種新型的分離技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有節(jié)能、高效、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，開(kāi)發(fā)高性能膜材料是實(shí)現(xiàn)高效膜分離的關(guān)鍵。以高通量、高選擇性以及高穩(wěn)定性關(guān)鍵特征的膜分離技術(shù)為代表的解決方案，已逐漸成為解決水環(huán)境污染和水資源短缺的核心技術(shù)之一。
石墨烯（Graphene）是由碳原子形成的蜂窩狀平面薄膜，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料。英國(guó)物理學(xué)家Geim和Novoselov用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，擁有諸多突出的物理化學(xué)性質(zhì)，在能源、材料、電子、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，也是構(gòu)筑高性能分離膜的理想材料，成為近年來(lái)膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化仍面臨巨大挑戰(zhàn)，普遍存在對(duì)離子的截留率較高的條件下，水通量較低，且穩(wěn)定性不良的問(wèn)題。
氧化石墨烯膜對(duì)高價(jià)態(tài)金屬離子的截留性能
該研究，由我校研究團(tuán)隊(duì)與華東理工大學(xué)、浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站合作，優(yōu)化了氧化石墨烯膜的制備過(guò)程，將制備的氧化石墨烯膜用于高價(jià)態(tài)金屬離子截留的水處理過(guò)程。這種方法使得氧化石墨烯膜對(duì)高價(jià)態(tài)離子截留時(shí)水通量可達(dá)75 ± 2 L m?2 h?1 bar?1，同時(shí)保持著99.9 ± 0.1%的離子截留率。該膜在離子截留時(shí)的水滲透性能，優(yōu)于現(xiàn)有報(bào)道的傳統(tǒng)的納濾膜以及其他先進(jìn)的二維膜，且相對(duì)于一般氧化石墨烯膜在處理離子時(shí)的水通量，提高了1~2個(gè)量級(jí)。此外，該氧化石墨烯膜具有較高的穩(wěn)定性，可在5天的穩(wěn)定性測(cè)試中保持高截留和高通量性能。
這種高截留率和高通量的氧化石墨烯膜是由于膜內(nèi)保持了較大的層間距，使得水更容易通過(guò)，從而得到較高的水通量。同時(shí)，由于膜內(nèi)的高價(jià)態(tài)的水合離子與氧化石墨烯片層之間的強(qiáng)水合離子-π作用，使得膜內(nèi)的水合離子結(jié)構(gòu)型變，其型變的水合離子尺寸小于溶液環(huán)境下未型變的水合離子。因此，基于水合離子-π作用調(diào)控的層間距尺寸小于溶液中的水合離子尺寸，在保持水的高通量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了離子的高效截留。
該論文第一作者為我校理學(xué)院碩士研究生代芳芳，浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站周峰高級(jí)工程師為共同第一作者；陳亮教授為本文的通訊作者，華東理工大學(xué)梁珊珊博士為共同通訊作者；我校陳均朗副教授參與、華東理工大學(xué)方海平教授主持，共同完成了本項(xiàng)工作。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（12074341, 12004110, U1832150, 11875236, 11974366, 1157433）、浙江農(nóng)林大學(xué)校科研發(fā)展基金(No. 2017FR032)等項(xiàng)目的資助和支持。
論文鏈接地址：https://doi.org/10.1039/D1TA00647A。
（理學(xué)院 陳均朗）
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