氧化石墨烯滲透膜制備及其性能的的研究

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1、氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究前言本論文通過對氧化石墨烯進(jìn)行真空抽濾，制備出了氧化石墨烯超濾分離膜。研究了在壓力驅(qū)動下，不同厚度的氧化石墨烯分離膜對有機(jī)染料溶液的分離性能。本論文的主要研究內(nèi)容如下：第一章簡單介紹了石墨烯，氧化石墨烯和氧化石墨烯分離膜的結(jié)構(gòu)、特性、制備及其表征方法。第二章比較詳細(xì)地介紹了氧化石墨烯及其超濾分離膜的制備方法，還介紹了本課題中用到的對氧化石墨烯的表征方法。第三章研究了不同厚度的氧化石墨烯分離膜對有機(jī)染料溶液，包括伊文思藍(lán)溶液和羅丹明B溶液的分離性能。第四章介紹了對本研究課題的總

2、結(jié)與展望。-19-氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究1.氧化石墨烯滲透膜概述1.1石墨烯1.1.1石墨烯的結(jié)構(gòu)2004年，UniversityofManchester的AndreGeim和KonstantinNovoselov第一次分離出來石墨烯，其分離方式也十分簡單，其把石墨薄片粘在膠帶上面,把帶有粘性一面的膠帶對折，然后把它揭開,如此石墨薄片就被膠帶分開了。不停地反復(fù)做這樣一個過程,石墨薄片就會越來越薄，最后就可以獲得一定量的石墨烯。自此之后，科學(xué)界對石墨烯的研究開始興起，石墨烯也變成了眾多學(xué)科研究的熱點(diǎn)

3、。圖1-1二維石墨烯片層演變成C60、碳納米管和石墨示意圖[1]Fig.1-1Chematicdiagramsof2DgraphenesheetsevolvedintoC60,carbonnanotubesandgraphite[1]如圖1-1所示，石墨烯能夠平行堆垛成3D的石墨，還能夠卷曲成1D的納米管，還能轉(zhuǎn)變成0D的富勒烯球體。圖1-2石墨烯的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1-2Thethree-dimensionalstructureofgraphene-19-氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究圖1-3石墨烯的二

4、維結(jié)構(gòu)圖Fig1-3Thetwo-dimensionalstructureofgraphene理想石墨烯（如圖1-3）被認(rèn)為是單層二維無限大的平面結(jié)構(gòu)，看成是被剝離的一個原子厚度石墨分子層。其中每個碳原子的雜化方式都是sp2，并且都把p軌道上的一個剩余電子拿出來共同結(jié)合成一個大π鍵，大π鍵的電子能夠自由地移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性[2]。但在實(shí)際中，石墨烯的表層有很多十分微小的起伏和褶皺，是一種“準(zhǔn)平面”結(jié)構(gòu)（如圖1-2）。理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了理想的二維結(jié)在非絕對零度下是沒法穩(wěn)定存在的，可是單層石墨烯卻被制備

5、出了，正是因?yàn)槭┻@種“準(zhǔn)平面”結(jié)構(gòu)的存在方式，才使其得以維持自身的穩(wěn)定性。1.1.2石墨烯的性能結(jié)構(gòu)決定性能，石墨烯有很多優(yōu)異的性能，正是因?yàn)樗哂辛己玫木w結(jié)構(gòu)。石墨烯的儲氫能力潛力巨大，因?yàn)樗钦嬲谋砻嫘怨腆w，理想的單層石墨烯的比表面積是2600m2/g[3]；石墨烯具有穩(wěn)定的熱學(xué)性能，其熱導(dǎo)最高能到5000W/(mK)[4]；石墨烯力學(xué)性能也是優(yōu)良的，李[5]和劉[6]等分別利用實(shí)驗(yàn)和第一原理計算并證明出現(xiàn)存在的強(qiáng)度最高的材料是石墨烯，它的理論強(qiáng)度高達(dá)110-130GPa，是鋼的100多倍；石墨烯

6、的電學(xué)性能也是有良好的[7,8,9]，電子可以自由地在其晶體里移動，并且其傳導(dǎo)的速率能高達(dá)8×105m/s，其比電子一般的傳輸速率大多了；石墨烯的鐵磁性及磁開關(guān)等磁性能也比較好[1]，這是因?yàn)槭╀忼X形邊緣擁有孤對電子；現(xiàn)如今最堅硬的材料就是石墨烯，它還同時表現(xiàn)出來了兩種互相矛盾的性質(zhì)——脆性與柔韌性，這一點(diǎn)是前所未有的，還有前所未有的發(fā)現(xiàn)是任何一種氣體都無法通過石墨烯，所以說它是能隔絕氣體的好材料，我們都不知道石墨烯的熔點(diǎn)，也不清楚它是怎樣熔化的，這都是因?yàn)槭┑某叽绶浅Ｐ?；[1,11]除此之外，石墨烯

7、還有良好的透光性。-19-氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究我們至今關(guān)于石墨烯化學(xué)性質(zhì)知道的是：與石墨的表面相像，各種各樣的原子、分子能夠被石墨烯表層吸附和脫附（如：二氧化氮，氨，鉀）。吸附物常常是作為給體或受體，并且會使載流子濃度發(fā)生變化，石墨烯自身仍舊是高導(dǎo)電。其他的一些吸附物，例如氫離子和氫氧根離子，其會導(dǎo)致導(dǎo)電性非常差的衍生物，但是這些都不是新的化合物，僅僅是石墨烯裝飾不一樣的吸附物罷了。從表面化學(xué)這一點(diǎn)來分析，石墨烯的性質(zhì)應(yīng)該與石墨近似，可以通過石墨來預(yù)測石墨烯的某些性質(zhì)。首個石墨烯被功能化的例子是

8、Graphane：它的結(jié)構(gòu)是2D碳?xì)浠衔镏械臍湓咏拥绞┑拿恳粋€六邊形格上。[11]1.1.3石墨烯的表征方法1.1.3.1透射電子顯微鏡(TransmissionElectronMicroscope,簡稱TEM)TEM能夠看見小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這是在光學(xué)顯微鏡下沒辦法看清楚的，我們管這種細(xì)微結(jié)構(gòu)叫做亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。目前TEM的分辨力可以達(dá)到0.2nm。透射電子顯微鏡(TEM)不