交聯(lián)型氧化石墨烯膜的結構調控和應用.pdf

1、石墨烯具有獨特的二維片層結構和眾多優(yōu)異的性能，將石墨烯及其衍生物作為基礎模塊構建新型碳基材料是實現石墨烯應用的重要途徑。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械強度，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)定性是實現規(guī)模應用的關鍵。另一方面，氧化石墨烯膜的應用功能與其結構和化學性質密

2、切相關，只有設計和制備具有合適結構和理化性質的氧化石墨烯膜才有希望擁有良好的應用性能。本論文研究了氧化石墨烯膜的微觀結構-理化性質-功能關系，通過選用不同的制膜方法和交聯(lián)劑，設計和制備了具有不同微觀結構和化學性質的交聯(lián)型氧化石墨烯膜，并開展了相應的應用性研究。具體研究主要包括以下四個方面的內容:
　　(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構及大量的可交聯(lián)反應基團，且其內孔可作為很多物質的負載位點。基于上述特征采用真空抽濾法一步制得聚乙烯亞胺交聯(lián)的氧化石墨烯層狀微結構膜，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;膜的層狀結構和聚乙烯亞胺交聯(lián)劑賦予了膜良好的藥物負載能力。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。實驗結果顯示呈擬零級動力學釋放行為，沒有出現爆釋現象。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，而氧化石墨烯片層之間的交聯(lián)可以實現對這一通道間距的調控?；谏鲜鲂再|，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構膜，并考察其滲透汽化性能。結果顯示

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)有序層狀結構的氧化石墨烯膜，非層狀結構膜中，氧化石墨烯納米粒子保持著隨機無序取向。同時，由于在成膜反應過程中，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構。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，水下油滴接觸角高達160°。將該膜應用于油水分離，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。該膜對亞甲基藍具有良好的截留能力，在實驗測試時間內截留率保持在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。吸附過濾結果表明，該膜將聚多巴