氧化石墨烯渗透膜的备及其性能研究.doc

前言 本论文通过对氧化石墨烯进行真空抽滤，制备出了氧化石墨烯超滤分离膜。研究了在压力驱动下，不同厚度的氧化石墨烯分离膜对有机染料溶液的分离性能。本论文的主要研究内容如下： 第一章简单介绍了石墨烯，氧化石墨烯和氧化石墨烯分离膜的结构、特性、制备及其表征方法。 第二章比较详细地介绍了氧化石墨烯及其超滤分离膜的制备方法，还介绍了本课题中用到的对氧化石墨烯的表征方法。 第三章研究了不同厚度的氧化石墨烯分离膜对有机染料溶液，包括伊文思蓝溶液和罗丹明B溶液的分离性能。 第四章介绍了对本研究课题的总结与展望。 1.氧化石墨烯渗透膜概述 1.1石墨烯 1.1.1石墨烯的结构 2004年，University of Manchester的Andre Geim和Konstantin Novoselov 第一次分离出来石墨烯，其分离方式也十分简单，其把石墨薄片粘在胶带上面,把带有粘性一面的胶带对折，然后把它揭开,如此石墨薄片就被胶带分开了。 不停地反复做这样一个过程,石墨薄片就会越来越薄，最后就可以获得一定量的石墨烯。自此之后，科学界对石墨烯的研究开始兴起，石墨烯也变成了众多学科研究的热点。 图1-1 二维石墨烯片层演变成C60、碳纳米管和石墨示意图[1] Fig.1-1 Chematic diagrams of 2D graphene sheets evolved into C60, carbon nanotubes and graphite [1] 如图1-1所示，石墨烯能够平行堆垛成3D的石墨，还能够卷曲成1D的纳米管，还能转变成0D的富勒烯球体。 图1-2石墨烯的三维结构图 Fig.1-2 The three-dimensional structure of graphene 图1-3石墨烯的二维结构图 Fig1-3 The two-dimensional structure of graphene 理想石墨烯（如图1-3）被认为是单层二维无限大的平面结构，看成是被剥离的一个原子厚度石墨分子层。其中每个碳原子的杂化方式都是sp2，并且都把p轨道上的一个剩余电子拿出来共同结合成一个大π键，大π键的电子能够自由地移动，赋予石墨烯良好的导电性[2] 。但在实际中，石墨烯的表层有很多十分微小的起伏和褶皱，是一种“准平面”结构（如图1-2）。理论和实验都证实了理想的二维结在非绝对零度下是没法稳定存在的，可是单层石墨烯却被制备出了，正是因为石墨烯这种“准平面”结构的存在方式，才使其得以维持自身的稳定性。 1.1.2石墨烯的性能 结构决定性能，石墨烯有很多优异的性能，正是因为它具有良好的晶体结构。石墨烯的储氢能力潜力巨大，因为它是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯的比表面积是2600m2/g[3]；石墨烯具有稳定的热学性能，其热导最高能到5000W/(mK)[4]；石墨烯力学性能也是优良的，李[5]和刘[6]等分别利用实验和第一原理计算并证明出现存在的强度最高的材料是石墨烯，它的理论强度高达110-130GPa，是钢的100多倍；石墨烯的电学性能也是有良好的[7,8,9]，电子可以自由地在其晶体里移动，并且其传导的速率能高达8×105m/s，其比电子一般的传输速率大多了；石墨烯的铁磁性及磁开关等磁性能也比较好[1]，这是因为石墨烯锯齿形边缘拥有孤对电子；现如今最坚硬的材料就是石墨烯，它还同时表现出来了两种互相矛盾的性质——脆性与柔韧性，这一点是前所未有的，还有前所未有的发现是任何一种气体都无法通过石墨烯，所以说它是能隔绝气体的好材料，我们都不知道石墨烯的熔点，也不清楚它是怎样熔化的，这都是因为石墨烯的尺寸非常小；[1,11]除此之外，石墨烯还有良好的透光性。 我们至今关于石墨烯化学性质知道的是：与石墨的表面相像，各种各样的原子、分子能够被石墨烯表层吸附和脱附（如：二氧化氮，氨，钾）。吸附物常常是作为给体或受体，并且会使载流子浓度发生变化，石墨烯自身仍旧是高导电。其他的一些吸附物，例如氢离子和氢氧根离子，其会导致导电性非常差的衍生物，但是这些都不是新的化合物，仅仅是石墨烯装饰不一样的吸附物罢了。从表面化学这一点来分析，石墨烯的性质应该与石墨近似，可以通过石墨来预测石墨烯的某些性质。首个石墨烯被功能化的例子是Graphane：它的结构是2D碳氢化合物中的氢原子接到石墨烯的每一个六边形格上。[11] 1.1.3石墨烯的表征方法 1.1.3.1透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM) TEM能够看见小于0.2um的细微结构，这是在光学显微镜下没办法看清楚的，我们管这种细微结构叫做亚显微结构或超微结构。目前TEM的分辨力可以达到0.2 nm。 透射电子显微镜(TEM)不仅可以通过观察片层边缘的纹理来表征