大面積石墨烯納米篩(GNM)/碳納米管(CNTs)復(fù)合納濾膜
針對以上問題，武漢大學(xué)的袁荃教授課題組設(shè)計(jì)了石墨烯納米篩(GNM)/碳納米管(CNTs)復(fù)合薄膜。如圖1所示，在該復(fù)合結(jié)構(gòu)中，相互交聯(lián)的CNTs網(wǎng)為石墨烯膜提供支撐，從而保證了宏觀尺寸的石墨烯膜的結(jié)構(gòu)完整性。石墨烯膜上可控制備的納米孔可允許水分子通過，同時(shí)截留離子和染料大分子，實(shí)現(xiàn)膜的分離性能。
圖1.大面積、高強(qiáng)度GNM/CNTs膜的結(jié)構(gòu)示意圖
在錯流正滲透測試中，膜可以承受高達(dá)60 MPa的壓力，沒有明顯的結(jié)構(gòu)破壞。GNM/CNTs膜的通量與氧等離子體處理時(shí)間呈正相關(guān)。對膜的脫鹽測試結(jié)果表明，graphene/CNTs膜可以完全截留鹽離子，說明graphene的結(jié)構(gòu)完整性保持良好，而GNM/CNTs膜的脫鹽率與氧等離子體處理時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。在錯流反滲透測試中，膜也表現(xiàn)出足夠的強(qiáng)度，對四種典型的鹽Na2SO4 , MgCl2, NaCl,和KCl均具有較高的截留率，85.2%~93.4%。和其他文獻(xiàn)中的過濾膜相比，GNM/CNTs膜表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，如圖3(H)所示。
圖2. GNM/CNTs膜的制備過程和結(jié)構(gòu)表征。
(A)?膜的制備過程示意圖; (B) GNM/CNTs膜轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上的實(shí)物圖; (C)?膜的SEM表征; (D)?紅圈部分的放大SEM表征; (E)?膜的TEM表征; (F) CVDG, G/SWNT, GNM/SWNT以及SWNT的Raman表征; (G) graphene和GNM的STEM表征; (I)?氧等離子體處理后的GNM孔尺寸分布
圖3. GNM/CNTs膜的脫鹽性能測試結(jié)果。(A)?錯流正滲透測試系統(tǒng)中，水分子透過膜的示意圖; (B)?膜承受壓力隨著膜孔隙率以及襯底孔徑改變的等值線圖; (C)?錯流正滲透測試中，水分子、鹽離子跨膜通量; (D)?跨膜水通量隨KCl濃度變化測試結(jié)果; (E) G/SWNT, GNM/SWNT膜的脫鹽率測試結(jié)果; (F)?錯流反滲透測試系統(tǒng)示意圖; (G) GNM/SWNT膜對典型的鹽和染料截留率測試結(jié)果; (H) GNM/SWNT膜的水通量和截留性能與文獻(xiàn)中的商業(yè)滲透膜以及石墨烯基膜對比圖
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Yanbing Yang, Xiangdong Yang, Ling Liang, Yuyan Gao, Huanyu Cheng,Xinming Li, Mingchu Zou, Anyuan Cao, Renzhi Ma, Quan Yuan, Xiangfeng Duan, Large-areagraphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration. Science 364, 1057-1062 (2019).