华东理工大学物理学院Shanshan Liang等–基于小薄片还原氧化石墨烯膜的超高纳滤性能

石墨烯基膜因其独特的物理和化学特性，在海水淡化和水处理等领域引起了广泛的关注。然而，氧化石墨烯(GO)膜存在严重的渗透性-选择性平衡，即在获得较高的盐排斥率时，通常呈现极低的透水率(大多数<1 L m^-2 h^-1 bar^-1)，因此目前远远不足以满足实际应用。在这项工作中，我们展示了小薄片的还原氧化石墨烯(S-rGO)膜的可行性，以创建更有序的二维(2D)层流通道用于纳滤。S-rGO膜对Na₂SO₄和MgSO₄溶液的透水率分别是大片还原氧化石墨烯(L-rGO)膜的3.7倍和3.9倍，而对Na₂SO₄和MgSO₄的排斥率分别维持在87.0 + 3.8%和85.4 + 2.5%。此外，S-rGO膜的长期实验表明其具有较高的稳定性。总体而言，本研究揭示了高纳滤性能的GO-基膜的制备及其在二维层流通道内的传输机理，并推动了GO-基膜在实际生活中的水净化、分子/离子筛分等环境应用的设计。

图1. L-GO、L-rGO和S-rGO膜的制备工艺示意图。

图2. (a) L-GO;(b) L-rGO;(c) S-rGO的AFM图像; (d)、(e)和(f)分别为图(a)、(b)和(c)对应的高度剖面。

图3. 制备的(a) L-GO;(b) L-rGO;(c) S-rGO膜的光学图像; 对应膜的(d)、(e)、(f)表面形貌和(g)、(h)、(i)截面形貌的SEM图像。

图4. (a)膜的XPS光谱。(b)膜的XRD谱。(c)膜的层间距。(d) S-rGO膜示意图。

图5. LGO、L-rGO和S-rGO膜对(a)盐溶液的不同排斥程度和(b)盐水渗透性。(c) S-rGO膜过滤Na₂SO₄与文献报道的其他膜的性能比较。(d) S-rGO膜的长期稳定性。

图6. Na₂SO₄排斥率和盐水渗透率与(a)进料侧施加压力、(b)进料侧Na₂SO₄浓度、(c) SGO纳米片还原时间和(d) S-rGO膜厚度的关系。

图7. LGO、L-rGO和S-rGO膜的水运输途径和排盐机制。

相关研究成果由华东理工大学物理学院Shanshan Liang等人于2022年发表在Desalination (https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115601)上。原文：Realizing ultrahigh nanofiltration performance based on small flake reduced graphene oxide membranes。