爱丁堡大学工程学院材料与过程研究所黄壹教授团队近期于Journal of Membrane Science期刊（2024, 706, 122942）发表题目为Tuning the interlayer spacing of graphene oxide membrane via surfactant intercalation for ultrafast nanofiltration的文章（https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.122942）。该文章第一作者为博士后研究员Dr. Rajakumari Krishnamoorthi，通讯作者为Prof Harvey Yi Huang（黄壹教授）。
研究亮点
- 通过离子相互作用将带正电表面活性剂引入氧化石墨烯（GO）纳米片中
- 表面活性剂插层能够精准调控氧化石墨烯膜的层间距
- 表面活性剂插层膜表现出优异的染料分子截留率和水通过性
- 表面活性剂插层的膜展现出超乎寻常的稳定性和抗污染性能
文章简介
纳滤膜技术是解决水资源危机的重要手段。近年来氧化石墨烯膜因其多样性、功能多样性和有序的纳米结构而备受关注。本研究通过引入带正电的表面活性剂-十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）来制备层状复合氧化石墨烯（CGO）膜（图1a）。CTAB通过静电相互作用在GO表面垂直和水平排列，调控GO纳米片的层间距，可使其从8.26 Å增加到16.97 Å。图1c-e展示了CTAB的分子结构以及其在GO层间可能的插层方式。
图1. (a) CGO膜制备示意图；(b) CGO膜的XRD衍射图；(c-e)层状复合氧化石墨烯膜的插层方式。
CGO层状膜具有良好的纳米通道并表现出优异亲水性能。在0.5 bar真空压力下，CGO膜分离直接红染料（DR-80）的性能大大优于非插层单层氧化石墨烯膜（NGO），体现出CGO膜具有更少的曲折路径和更多的纳米通道。本团队使用DR-80染料（分子量1373.07 Da）在0.5 bar真空压力下评估所有膜的分离和截留性能。通过紫外可见分光光度法（图2）测定进料和过滤液中的DR-80浓度。DR-80分子结构和相应的DR-80溶液的进料和过滤液的照片见图2c-d。CTAB插层的CGO膜水通量显著提高，分别为CGO-10（558 ± 37 L h-1 m-2bar-1，截留率82.11%）、CGO-20（637 ± 37 L h-1 m-2bar-1，截留率94.1%）、CGO-30（710 ± 27 L h-1 m-2 bar-1，截留率97.1%）和CGO-50（932 ±77 L h-1 m-2 bar-1，截留率99.5%）。值得提出，膜性能随着GO膜中CTAB含量的增加而提高，主要归因于CTAB插层增加了GO间距，导致更高的水通量。此外，表面CTAB含量的增加也增加了GO表面阳离子头基的存在，促进了染料与CGO膜之间的静电相互作用，从而提高了分离效率。
图2. (a) DR-80染料的分离效率和水通量；(b) 紫外可见光谱；(c) DR-80分子结构；(d) 分离前后DR-80染料溶液的照片。
总的来说，染料截留机制主要受三个因素影响：有机染料与CGO膜表面之间的静电相互作用，有机染料在CGO膜表面的吸附，以及结构良好的CGO层状排列对尺寸和形状的选择性（图3c-d）。CGO 膜与有机染料分子之间的静电力和 π-π 相互作用力在整个染料分离机制中起着至关重要的作用。此外，CGO 膜具有出乎寻常的稳定性，在暴露于各种 pH 溶液和去离子水 (DI) 后任然表现出优异的结构和膜分离稳定性。比如，稳定测试后的CGO 膜仍保留>96%的有机分子截留率（如DR-80）和相当高的水通量（优于其他复合膜3~65倍）。同时此系列层状复合氧化石墨烯膜表现出很好的抗疲劳和循环分离性能（见原文）。综上所述，本研究提供了一种简易且快速的层状复合氧化石墨烯膜的制备方法。成功制备了高度可调且结构稳定的CTAB 插层膜。该系列膜的超快速分子分离的性能在实际应用中对染料废水处理有着潜在的应用价值。
图3. (a) CGO膜对不同类型染料的分离性能，(b) 不同染料的截留率与其分子量的关系；(c) CGO膜的分离机制示意图，(d) 有机染料与CGO表面的相互作用。
通讯作者
Prof. Harvey Yi Huang
黄壹教授
工作单位：爱丁堡大学工程学院材料与过程研究所
通讯邮件：Yi.Huang@ed.ac.uk
研究组网址：https://www.huangresearchgroup.com
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