交聯(lián)型氧化石墨烯膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控和應(yīng)用.pdf

1、石墨烯具有獨特的二維片層結(jié)構(gòu)和眾多優(yōu)異的性能，將石墨烯及其衍生物作為基礎(chǔ)模塊構(gòu)建新型碳基材料是實現(xiàn)石墨烯應(yīng)用的重要途徑。氧化石墨烯作為石墨烯的重要衍生物，具有良好的成膜性能，在脫鹽、滲透汽化、超級電容器、透明電極等方面有廣泛應(yīng)用前景。單純的氧化石墨烯膜雖然在干燥條件下具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，但是在水環(huán)境中，膜易發(fā)生溶脹剝離，從而變得不穩(wěn)定。因此，提高氧化石墨烯膜穩(wěn)定性是實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。另一方面，氧化石墨烯膜的應(yīng)用功能與其結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)密

2、切相關(guān)，只有設(shè)計和制備具有合適結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的氧化石墨烯膜才有希望擁有良好的應(yīng)用性能。本論文研究了氧化石墨烯膜的微觀結(jié)構(gòu)-理化性質(zhì)-功能關(guān)系，通過選用不同的制膜方法和交聯(lián)劑，設(shè)計和制備了具有不同微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的交聯(lián)型氧化石墨烯膜，并開展了相應(yīng)的應(yīng)用性研究。具體研究主要包括以下四個方面的內(nèi)容:
　　(1)聚乙烯亞胺交聯(lián)氧化石墨烯層狀膜:氧化石墨烯納米粒子具有超高的比表面積，可與很多物質(zhì)能形成氫鍵、發(fā)生范德華力和π-π相互作用;聚

3、乙烯亞胺具有獨特的支化結(jié)構(gòu)及大量的可交聯(lián)反應(yīng)基團(tuán)，且其內(nèi)孔可作為很多物質(zhì)的負(fù)載位點?；谏鲜鎏卣鞑捎谜婵粘闉V法一步制得聚乙烯亞胺交聯(lián)的氧化石墨烯層狀微結(jié)構(gòu)膜，由于聚乙烯亞胺的交聯(lián)作用，膜在水中穩(wěn)定性得到極大地提高;膜的層狀結(jié)構(gòu)和聚乙烯亞胺交聯(lián)劑賦予了膜良好的藥物負(fù)載能力。將其作為抗生素環(huán)丙沙星的載體，考察了對藥物的釋放性能。實驗結(jié)果顯示呈擬零級動力學(xué)釋放行為，沒有出現(xiàn)爆釋現(xiàn)象。同時，與純氧化石墨烯膜和層狀聚乙烯基亞胺交聯(lián)氧化石墨烯膜比較

4、，負(fù)載環(huán)丙沙星的層狀聚乙烯基亞胺交聯(lián)氧化石墨烯膜表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。
　　(2)小分子二元胺交聯(lián)氧化石墨烯層狀膜:相鄰氧化石墨烯納米粒子之間存在獨特的二維通道，具有篩分作用以及優(yōu)異的透水性質(zhì)，而氧化石墨烯片層之間的交聯(lián)可以實現(xiàn)對這一通道間距的調(diào)控?；谏鲜鲂再|(zhì)，采用真空抽濾法，分別利用乙二胺、丁二胺、己二胺等具有不同分子大小的二元胺作為交聯(lián)劑，制備具有不同片層間距的二元胺交聯(lián)氧化石墨烯層狀微結(jié)構(gòu)膜，并考察其滲透汽化性能。結(jié)果顯示

5、與未交聯(lián)的氧化石墨烯膜相比，交聯(lián)氧化石墨烯膜具有明顯的脫水作用，其中乙二胺交聯(lián)氧化石墨烯膜性能最優(yōu)。
　　(3)聚乙烯亞胺交聯(lián)氧化石墨烯非層狀凝膠膜:在高溫靜置條件下，采用溶膠-凝膠法制備了不同于常規(guī)有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的氧化石墨烯膜，非層狀結(jié)構(gòu)膜中，氧化石墨烯納米粒子保持著隨機(jī)無序取向。同時，由于在成膜反應(yīng)過程中，氧化石墨烯納米粒子發(fā)生扭曲折疊，使得膜表面具有微納等級結(jié)構(gòu)。因為氧化石墨烯納米粒子和聚乙烯亞胺的親水性，該凝膠膜具有超親水和

6、水下超疏油的性質(zhì)，水下油滴接觸角高達(dá)160°。將該膜應(yīng)用于油水分離，對于甲苯/水、正辛烷/水、正己烷/水等一系列油水乳液，在推動力僅為重力條件下，此膜顯示了很高的通量和分離效率(＜10 ppm)，高于擁有類似滲透性能的商業(yè)膜。此外，該凝膠膜還表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗油污染性能，可長期循環(huán)使用。
　　(4)環(huán)糊精接枝改性的聚多巴胺交聯(lián)氧化石墨烯非層狀凝膠膜:多巴胺具有獨特的自聚、粘附和吸附能力，環(huán)糊精作為一種主體分子擁有能夠包結(jié)客體分子的能

7、力，因此采用溶膠-凝膠法制備了環(huán)糊精接枝改性的聚多巴胺交聯(lián)氧化石墨烯凝膠膜，考察了該膜在靜態(tài)和動態(tài)條件下對染料和重金屬粒子的吸附性能。結(jié)果表明，通過吸附過濾過程，該膜能夠高效處理低濃度染料和重金屬離子廢水。在0.01 MPa下，過濾通量能夠保持在12 L/m2·h左右。該膜對亞甲基藍(lán)具有良好的截留能力，在實驗測試時間內(nèi)截留率保持在99％以上，而對于橙黃G和鉛離子，在過濾開始階段截留率保持穩(wěn)定，隨后逐漸下降。吸附過濾結(jié)果表明，該膜將聚多巴