据纳米功能材料微信公众平台2018年10月15日讯 近年来，GO作为新一代膜材料，可以应用于海水淡化、脱盐，水净化，气体和离子分离等方向，这归因于单层氧化石墨烯（SLGO）具有原子级的厚度和高化学稳定性，片层上带有亲水的含氧官能团，有利于分子在其中的传输。因此，GO膜作为一种新型膜材料引起了越来越多的研究。很多课题组针对如何获得超薄（＜100nm）的、分子筛性能优异的GO膜提出了方案，但目前为止，只有相对较厚的膜具有可靠和精确的筛分性能。南卡罗来纳大学化学工程与催化可再生燃料中心的Miao Yu（音译：于淼）课题组提出，层状结构GO膜的渗透性由层间内部SLGO纳米结构组成来决定，基于SLGO的膜的层间纳米结构取决于相邻SLGO层的表面官能团如何排列。
　　于淼通过将等量的SLGO分散到不同提及的去离子水中，控制真空抽滤的抽滤速度，发现在单位面积负载量相同的时候，慢速沉积的GO膜具有更高的水渗透速率。在缓慢沉积速率下，SLGO薄片得以更好地自组装，相邻的GO层上官能团区域相互面对，原始石墨烯区域相互对立形成了快速水传输的通道。在快的沉积速率下，相邻的GO层上官能团区域与原始石墨烯区域相互对立，导致较慢的水传输速率。
　　缓慢沉积获得的薄膜相对而言具有更小的层间距，高温还原后获得的rGO也有相同的趋势，表明沉积速率对薄膜结构确实存在影响。同时，还原后缓慢沉积薄膜中的C/O比（1.61）相较于快速沉积（1.49）要高，这意味着缓慢沉积的GO膜的较窄的层间纳米结构可能促进GO在高温下的脱水还原。渗透性测试更进一步支持XRD实验结果，渗透量的差别归因于层间距和其中纳米通道的差异，己烷和DMB的疏水性使二者更倾向于在GO层间的疏水区域传输，渗透实验中探索的纳米通道大小应该主要是指疏水通道中。
　　两个SLGO薄片形成层间结构通常表现出三种类型的亚结构：片层间氧化区域相对（O-O），一个未氧化区域与另一个未氧化区域相对（P-P），氧化区域对未氧化区域（O-P）。O-O和P-P子域对应于图1中所示的I型结构，而O-P子域对应于II型结构。随着抽滤时间的增长，O-P的占比降低，而O-O和P-P占比增加。总的来说，SLGO在液态水中的自组装有利于在II型夹层结构上形成I型夹层结构。

图1．缓慢和快速沉积速率制备的GO膜的层间纳米结构模拟

图2．单层氧化石墨烯的表征(a)云母片上的单层氧化石墨烯的AFM图像(b)XPS C 1s

图4．SLGO在水和水通过夹层纳米通道传输的自组装

图5．（a）快速（黑色）和缓慢沉积（红色）制备的GO膜的水渗透；（b）GO膜的盐排斥能力。

　　实验得到缓慢沉积的膜的水渗透性比快速沉积的GO膜的水渗透性高约4倍。因为缓慢沉积的GO膜比快速沉积的膜具有更多的I型层间结构，证明分子动力学预测的具有I型夹层结构的GO膜可以更快地进行水输送。同时测试GO膜具有优异的纳滤性能，使用KCl，NaCl和MgSO4进行长期脱盐测试，缓慢沉积的薄膜可以获得更高的盐排斥率。
　　相关工作“Self-Assembly: A Facile Way of Forming Ultrathin, High-Performance Graphene Oxide Membranes for Water Purification”发表在Nano Lett. 2017, 17, 2928−2933.( DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00148)上，作者是南卡罗来纳大学化学工程与催化可再生燃料中心的于淼课题组。