悉尼大学陈元课题组：插入二维共价有机骨架的高性能石墨烯纳滤膜

【背景介绍】

石墨烯是理想的制备高性能纳滤膜的材料。石墨烯膜的分离性能受到膜的纳米结构的影响，例如，石墨烯纳米片间的层间距。最近的研究也发现，通常只是用来增强石墨烯膜机械性能的高分子多孔基底也能影响石墨烯膜的分离性能。例如，基膜的孔的大小、表面粗糙度都能使其负载的石墨烯膜的纳米结构发生显著变化。负载在大孔基膜上的石墨烯膜的水通量更大。但是，如果基膜的孔变得太大，柔软的石墨烯膜就容易在高压下发生塌陷，破坏膜的稳定性。受到“钢筋”强化混凝土的启示，作者提出石墨烯膜也可能通过插入更强的“钢筋”来强化其稳定性。例如，具有二维结构的共价有机骨架（2D COF）有良好的机械性能，同时也拥有可做为有效水通道的多空结构。并且，它们的二维片层结构也可以与石墨烯纳米片实现无缝衔接，并且调控石墨烯片之间的层间距。

【成果简介】

近日， 悉尼大学陈元教授课题组和南洋理工大学吴昆励Kunli Goh博士合作（第一作者，悉尼大学博士生，隋潇）在部分化学还原的氧化石墨烯（prGO）组成的片层结构中插入COF，制备高性能的复合材料纳滤膜（prGO/COF）。通过对COF的加入量和尼龙基膜孔结构的优化，在选择性没有下降的前提下， prGO/COF膜的水通量比未加入COF的prGO膜增加了27倍。此外，prGO/COF膜也在大孔的基膜上展示出了良好的自我支撑能力。通过对膜结构的分析和计算，prGO/COF膜的有效面积可增加53.4%，并且在承受5 bar的形变下，连续工作10小时以上。

相关研究成果以“Graphene oxide laminates intercalated with 2D covalent-organic frameworks as a robust nanofiltration membrane”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

【小结】

在这个工作中，研究团队协同COF的插入和基膜孔结构的两个手段来调控石墨烯纳米片层的结构，显著提高了prGO/COF膜的稳定性的分离性能。COF的插入和大孔的基膜可以大幅提升石墨烯膜的水通量，又能同时保持其良好的选择性。这不仅仅归功于COF对于石墨烯纳米片的层间距的调节。更重要的是，COF可以起到增强石墨烯纳米片网络的自我支撑能力，从而使它们在大孔的基膜上形成结构完整的纳滤膜。这些纳滤膜有更多的纳米皱褶，使其有效面积增加了53.4%。这个工作展示了COF对石墨烯膜结构优越的调控能力。同时这种通过多个途径来优化石墨烯膜性能的策略也可以为以后新型石墨烯膜的设计提供有用的参考。

【图文解读】

图1 prGO/COF膜制备示意图。

图2 （a）COF的XRD谱图，（b）COF纳米片的尺寸分布图，（c-d）prGO的XPS谱图，（e-f）COF和（g-h）prGO的AFM和纳米片厚度特征图。

图3 （a）0.45微米孔的尼龙基膜（b）prGO膜（c）prGO/COF-0.3和（d）prGO/COF-0.5膜的表面SEM照片，（e）prGO（f）prGO/COF-0.3和（g）prGO/COF-0.5膜的截面图

图4 prGO/COF膜的（a）水通量 （b）对三种有机染料分子的截留率 （c）XRD谱图。

图5 prGO和prGO/COF膜在不同基膜上的（a）亚甲基蓝（MB）的截留率和（b）水通量，（c）prGO和（d）prGO/COF膜在0.65微米孔的基膜上表面的SEM，（e）prGO/COF膜在不同压力下工作的水通量和截留率，（f）prGO/COF膜在5 bar压力下的长期稳定性。

图 6 孔大小为（a）0.10微米 （b）0.20微米（c）0.45 微米的尼龙基膜的SEM，prGO/COF膜在孔为（d）0.10微米 （e）0.20微米（f）0.45 微米基膜上的SEM，（g-i）孔大小不同的尼龙基膜的AFM，（j-l）prGO/COF在不同大小孔的基膜上的AFM，（m）prGO和prGO/COF-0.3膜在不同大小孔的基膜上的高度均方根。

图7 （a-c）prGO/COF在不同大小孔的基膜上的结构示意图，（d）COF，基膜孔的大小和膜表面粗糙度，以及水通量的关系图。

文献链接

https://doi.org/10.1039/D0TA01727B