台湾科技大学–用于海水淡化和重金属离子分离的纯和聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯膜的pH介导制备工艺研究

氧化石墨烯(GO)膜由于其优越的物理化学性质，在分离各种离子和分子方面得到了广泛的研究和应用。然而，它们的孔结构不一致，难以精确调节它们的d-间距，以及在水溶液中的不稳定性-特别是在极端pH值下-可能会阻碍它们的分离效率。在这项研究中，我们系统地研究了pH介导的氧化石墨烯膜的制备过程，并评估了所得膜的性能。扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)分析结果表明，较高的制备pH会导致氧化石墨烯层更厚，并且由于氧化石墨烯的羧基去质子化而导致d-间距增大。此外，pH辅助下，聚乙烯亚胺(PEI)和氧化石墨烯(GO)薄片之间的交联得到了促进，化学分析结果表明，在酸性环境下，主要反应是在基面上形成C-N键，而在碱性条件下，在边缘形成N-C=O(酰胺)键更为普遍。反过来，这相应地改变了SEM和XRD的趋势，在较高的制造pH下，由于掺入PEI的胺基的去质子化，可观察到更薄的GP层和更小的d-间距。这些发现有助于膜对不同无机盐和重金属离子的纳滤（NF）性能。发现在pH为11时形成的GP_pH11膜对Pb²⁺的去除率最高，>95%，是去除重金属离子的理想材料。

图1. Actual photographs of the pH-tuned GO (a–c) and GP membranes (d–f), their surface (g–l) and cross-sectional (s–x) SEM images, and their AFM images (m–r).

图2. (a) GO_pH3、(b) GO_pH7、(c) GO_pH11、(d) GP_pH3、(e) GP_pH7 和 (f) GP_pH11 膜 C1s 区域的 XPS 峰。

图3. 提出了GO和PEI在酸性和碱性条件下的反应机理。

图4. pH 调节后的 GO 和 GP 膜在 (a) 干态和 (b) 湿态下的 XRD 光谱。

图5. pH 调节的 GO 和 GP 膜的(a) 拉曼光谱、(b) 水接触角、以及 (c)  zeta 电位。

图6. 采用 pH 调节膜的纳滤结果：（a）纯水渗透性，（b）对四种常见无机盐的分离性能，（c）对金属离子的排斥性能，（d）操作压力变化。

图7. 所提出的分离机制是通过带正电荷、pH 值调节的 GP 膜进行的。

图8. (a) pH 调节 GP 膜的防污性能及其 (b) 长期运行中的稳定性。

图9. pH调节的GO和GP膜相对于正电子入射能量的(a)S参数和(b)R参数。

相关研究成果由台湾科技大学应用科技研究所先进膜材料研究中心Hannah Faye M. Austria等人于2024年发表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119019 )上。

原文：Investigation of the pH-mediated fabrication process of pure and polyethyleneimine-crosslinked graphene oxide membranes for desalination and heavy metal ion separation