氧化石墨烯(GO)膜由于其優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，在分離各種離子和分子方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用。然而，它們的孔結(jié)構(gòu)不一致，難以精確調(diào)節(jié)它們的d-間距，以及在水溶液中的不穩(wěn)定性-特別是在極端pH值下-可能會阻礙它們的分離效率。在這項(xiàng)研究中，我們系統(tǒng)地研究了pH介導(dǎo)的氧化石墨烯膜的制備過程，并評估了所得膜的性能。掃描電鏡(SEM)和X-射線衍射(XRD)分析結(jié)果表明，較高的制備pH會導(dǎo)致氧化石墨烯層更厚，并且由于氧化石墨烯的羧基去質(zhì)子化而導(dǎo)致d-間距增大。此外，pH輔助下，聚乙烯亞胺(PEI)和氧化石墨烯(GO)薄片之間的交聯(lián)得到了促進(jìn)，化學(xué)分析結(jié)果表明，在酸性環(huán)境下，主要反應(yīng)是在基面上形成C-N鍵，而在堿性條件下，在邊緣形成N-C=O(酰胺)鍵更為普遍。反過來，這相應(yīng)地改變了SEM和XRD的趨勢，在較高的制造pH下，由于摻入PEI的胺基的去質(zhì)子化，可觀察到更薄的GP層和更小的d-間距。這些發(fā)現(xiàn)有助于膜對不同無機(jī)鹽和重金屬離子的納濾（NF）性能。發(fā)現(xiàn)在pH為11時(shí)形成的GP
pH11膜對Pb
2+的去除率最高，>95%，是去除重金屬離子的理想材料。
圖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).
圖2. (a) GO
pH3、(b) GO
pH7、(c) GO
pH11、(d) GP
pH3、(e) GP
pH7 和 (f) GP
pH11 膜 C1s 區(qū)域的 XPS 峰。
圖3. 提出了GO和PEI在酸性和堿性條件下的反應(yīng)機(jī)理。
圖4. pH 調(diào)節(jié)后的 GO 和 GP 膜在 (a) 干態(tài)和 (b) 濕態(tài)下的 XRD 光譜。
圖5. pH 調(diào)節(jié)的 GO 和 GP 膜的(a) 拉曼光譜、(b) 水接觸角、以及 (c) zeta 電位。
圖6. 采用 pH 調(diào)節(jié)膜的納濾結(jié)果：（a）純水滲透性，（b）對四種常見無機(jī)鹽的分離性能，（c）對金屬離子的排斥性能，（d）操作壓力變化。
圖7. 所提出的分離機(jī)制是通過帶正電荷、pH 值調(diào)節(jié)的 GP 膜進(jìn)行的。
圖8. (a) pH 調(diào)節(jié) GP 膜的防污性能及其 (b) 長期運(yùn)行中的穩(wěn)定性。
圖9. pH調(diào)節(jié)的GO和GP膜相對于正電子入射能量的(a)S參數(shù)和(b)R參數(shù)。
相關(guān)研究成果由臺灣科技大學(xué)應(yīng)用科技研究所先進(jìn)膜材料研究中心Hannah Faye M. Austria等人于2024年發(fā)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
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
