石墨烯基膜是分離污染物和離子有前途的材料。其中，氧化石墨烯(GO)膜由于其獨特的納米通道而被廣泛研究。GO膜的特征納米通道可以通過插入陽離子來控制，從而抑制擴(kuò)散過程中其他離子的遷移。為了在壓力輔助過濾過程中維持定制的納米通道，必須保留插入的陽離子。在此，與鉀離子緊密結(jié)合的二苯并-18-冠-6分子(DB18C6)插入到GO納米薄片中，以防止在分離過程中鉀離子從納米通道漏出。與未處理的GO膜相比，鉀離子和DB18C6之間的復(fù)合物形成了GO納米通道之間的亞納米通道，從而控制了鹽的排斥率以及水分子的滲透，并選擇性地抑制了Na
+離子的轉(zhuǎn)運。制備的GO@Crown復(fù)合膜在終端過濾過程中，表現(xiàn)出優(yōu)異的NaCl排斥率(高達(dá)60%)、透水率(3.11-8.86 LMH bar
−1)、Na
+排斥率(高達(dá)62.5%)以及優(yōu)異的Na
2SO
4排斥率(高達(dá)88%)。分子動力學(xué)計算GO@Crown復(fù)合膜的可調(diào)層間距以及GO層之間冠醚的可能構(gòu)型，從而支持實驗結(jié)果。
Figure 1. A) GO@Crown膜圖片和GO@Crown膜的納米通道方案。B)二苯并-18-冠-6分子(黑色)、GO(紅色)和GO@Crown20(藍(lán)色)的FT-IR光譜。C) GO、GO@Crown5、GO@Crown10、GO@Crown20的SEM圖。
Figure 2. A)通過真空過濾和其他工藝制備復(fù)合膜的原理圖。基于制備各階段的純凈GO和復(fù)合膜的XRD光譜：B)真空過濾后，C)壓力輔助壓實后，D) K
+離子處理完成后。
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Figure 3. GO和GO復(fù)合膜的脫鹽性能。A)通過純凈的GO，GO @ Crown5，GO@Crown10和GO @ Crown20膜對Na
+離子和NaCl的排斥率，以及復(fù)合膜對NaCl溶液的透水性。B）通過GO復(fù)合膜的Na
2SO
4排斥率和透水性。
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Figure 4. A)用純凈的GO和GO@Crown20插層鉀–DB18C6復(fù)合物的穩(wěn)定性測試。B)通過NaCl和K
2SO
4溶液滲透的ICP-OES分析，分析純凈GO和GO復(fù)合膜的Na
+排斥率。
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Figure 5. A) MD模擬生成DB18C6分子的多層氧化石墨烯膜的原子結(jié)構(gòu)。B)模擬系統(tǒng)的層間間距。C)體系中GO層DB18C6分子的吸附能。D)體系中GO層對K
+離子的吸附能。
Figure 6. A) GO層和DB18C6之間水分子和離子的三種可能的滲透途徑。B) GO@Crown復(fù)合膜之間可能的納米通道側(cè)視圖。
相關(guān)研究成果于2020年由韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院Eun Seon Cho課題組，發(fā)表在Adv. Mater. Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201901876)上。原文：Design of Sub-Nanochannels between Graphene Oxide Sheets via Crown Ether Intercalation to Selectively Regulate Cation Permeation
