石墨烯分離膜近幾年可謂火遍大江南北。最初，研究者們?yōu)槭┓蛛x膜描繪出了一幅動人的前景：石墨烯片層間形成僅能容納水分子通過的通道；碳原子層間摩擦阻力極小，水分子可快速通過等等。

    石墨烯分離膜近幾年可謂火遍大江南北。最初，研究者們?yōu)槭┓蛛x膜描繪出了一幅動人的前景：石墨烯片層間形成僅能容納水分子通過的通道；碳原子層間摩擦阻力極小，水分子可快速通過等等。

    然而這些年過去了，大家才逐漸發(fā)現(xiàn)，理想與現(xiàn)實之間還存在著不小的差距。為了便于操作，研究者使用了氧化石墨烯來代替石墨烯，導致孔隙變大，同時空隙率也低于傳統(tǒng)的聚合物膜，石墨烯的通量與截留均較難達到理想狀態(tài)，與傳統(tǒng)聚合物分離膜相比，并沒有優(yōu)勢。

    感覺到被忽悠了的研究者們，要么果斷棄坑，要么竭盡全力嘗試各種方法調(diào)控石墨烯的結(jié)構(gòu)，或在制備過程中加入其它組分對其片層間距進行調(diào)控。

    最近，美國南加州大學（USC）Miao Yu教授課題組發(fā)表在Nano Letters上的文章，或許找到了改善石墨烯分離膜性能最簡單的方法，那就是——多點耐心。

    研究者們使用了同批制備的相同量氧化石墨烯，利用最為常見的抽濾法來制備分離膜。

    他們發(fā)現(xiàn)，僅通過改變石墨烯沉積的速率——將速度減慢為之前的十二分之一，可顯著改善石墨烯片層的堆砌結(jié)構(gòu)，使得其通量與截留同時得到顯著提升。而導致這一提升的主要因素是：在緩慢抽濾的過程中，石墨烯片層能夠更好的組裝：氧化區(qū)域與氧化區(qū)域相對，未氧化區(qū)域與未氧化區(qū)域相對。

    兩種不同過程導致的石墨烯堆砌方式差別。圖片來源：Nano Lett.

    降低抽濾速度后，片層間距首先發(fā)生了變化：從0.84 nm略微減小至0.82 nm，對應的還原后石墨烯膜的孔徑也由0.39 nm減小至0.35 nm左右。

    選擇滲透性實驗表明，緩慢抽濾的石墨烯膜選擇滲透性也更好（緩慢抽濾的膜還原前對己烷與2,2-二甲基丁烷的選擇性為5.3，還原后則達到13.3；而快速抽濾的膜對應選擇性僅為1.0與2.0）。通過對不同速度下抽濾的雙層表面高度進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)緩慢抽濾得到的石墨烯雙層厚度分布更窄。

    兩種石墨烯膜的結(jié)構(gòu)差別。圖片來源：Nano Lett.

    通過計算機模擬他們發(fā)現(xiàn)，氧化區(qū)對氧化區(qū)，非氧化區(qū)對非氧化區(qū)的結(jié)構(gòu)在熱力學上更加穩(wěn)定，隨著時間的推移更易組裝成這樣的結(jié)構(gòu)。同時，對于慢速抽濾得到的組裝結(jié)構(gòu)隨著條寬的增加會使通量急劇上升。

    不同抽濾速度制備的石墨烯膜及其性質(zhì)。圖片來源：Nano Lett.

    隨著膜厚度的增加，慢速抽濾得到的組裝結(jié)構(gòu)與快速抽濾得到的組裝結(jié)構(gòu)對水的通量的差距越來越大，在118 nm厚度時，前者為后者的4倍。在4.7 nm厚度膜對鹽的截留實驗中，慢速抽濾得到的膜同樣具有更好的表現(xiàn)，而且這種優(yōu)秀表現(xiàn)在2小時內(nèi)幾乎檢測不到變化，穩(wěn)定性頗佳。

    膜的水通量與對鹽的截留。圖片來源：Nano Lett.

    ——總結(jié)——

    Miao Yu教授課題組發(fā)現(xiàn)僅僅降低單層氧化石墨烯沉積的速率，就能使得到的石墨烯膜在通量、截留（選擇性）上雙雙有所提升，打破了常規(guī)調(diào)控過程中通量與截留此消彼長的規(guī)律。

    可見，優(yōu)化制備過程可能比優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)獲得更大的性能提升，材料在不同尺度下的堆砌方式對其性能影響更為顯著。這種超薄高性能氧化石墨烯膜在水凈化領(lǐng)域有著光明的應用前景。

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責任編輯：龐雪潔

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