制備高滲透性能且高截留率的氧化石墨烯膜一直是難題和研究熱門(mén)。近日，浙江農(nóng)林大學(xué)教授陳亮團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，利用改進(jìn)電子束輻照還原方法，實(shí)現(xiàn)了在氧化石墨烯中對(duì)環(huán)氧基團(tuán)的精確去除，同時(shí)保留了大量羥基。該成果在線發(fā)表于《碳》雜志。

他們制備得到的石墨烯膜展示了出色的親水性、超高滲透性能和穩(wěn)定性能，為選擇性去除基團(tuán)類(lèi)型以及石墨烯膜在污水處理等應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

在該研究中，陳亮團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)利用氫自由基和環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)，能產(chǎn)生新的羥基基團(tuán)，這使得去除環(huán)氧、保留羥基成為可能。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)改進(jìn)電子束輻照的實(shí)驗(yàn)方法，形成以氫自由基為主的輻照環(huán)境，成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧基團(tuán)的選擇性還原。制備得到的還原氧化石墨烯，在含氧量顯著下降的同時(shí)具有極好的親水性。更重要的是，制備的石墨烯膜在截留有機(jī)污染物和重金屬?gòu)U液時(shí)，展示出超高滲透性能和截留穩(wěn)定性能。

“我們通過(guò)選擇性還原制備的氧化石墨烯膜，在對(duì)污水中甲基藍(lán)、副品紅、羅丹明B等常見(jiàn)的有機(jī)染料和鐵離子、鉛離子、銅離子等過(guò)渡金屬離子進(jìn)行有效地截留的同時(shí)，還獲得了超高水通量。相比于普通的氧化石墨烯膜，所獲得的水通量提升了高達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究在氧化石墨烯膜低通量的難題方面取得的結(jié)果，將大大擴(kuò)展氧化石墨烯膜在污水處理中的應(yīng)用。”通訊作者之一、團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陳亮說(shuō)。

氧化石墨烯片層中，環(huán)氧(C-O-C)和羥基(C-OH)是兩種主要的含氧基團(tuán)，其含量接近，并隨機(jī)分布在氧化石墨烯片層表面。

研究表明，羥基對(duì)氫鍵的形成有重要作用，可以促進(jìn)水分子在氧化石墨烯膜中的滲透，而環(huán)氧基團(tuán)對(duì)形成氫鍵的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，對(duì)水分子和溶質(zhì)在通道內(nèi)的傳輸形成阻力，不利于水分子和溶質(zhì)的滲透。

研究認(rèn)為，如果能在保留羥基的同時(shí)，最大程度地減少環(huán)氧基團(tuán)，有望極大改善膜的滲透性及其他性能。但是傳統(tǒng)的還原方法，比如熱還原和化學(xué)還原法，能同時(shí)大幅度降低環(huán)氧和羥基，但均無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確選擇性還原某一類(lèi)基團(tuán)的目的。

該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、浙江省自然科學(xué)基金委、浙江農(nóng)林大學(xué)?？蒲邪l(fā)展基金，上海同步輻射光源的資助和支持。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.09.076

作者：崔雪芹 陳勝偉 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)