国产新型石墨烯薄膜吸附率创新高

作者：马爱平文章来源：科技日报发布时间：2017-03-27

这种超轻超薄的石墨烯—活性炭薄膜吸附效率，对包括抗生素在内的颗粒状物体可达99.99%。

抗生素药物是最广泛使用的药物类型之一。日前，据《科学通报》报告称，我国地表水中含有68种抗生素，且浓度较高。此外，还有90种非抗生素类医药成分被检出。而目前的水处理技术还难以完全去除水中的微量抗生素，高效去污装置的开发显得尤为迫切。

近日，江苏师范大学李海涛教授课题组率先成功开发了一种石墨烯多功能复合膜。据发表在《自然》杂志子刊《Scientific Reports》上的研究成果显示，这种超轻超薄的石墨烯—活性炭薄膜吸附效率，对包括抗生素在内的颗粒状物体可达99.99%。

“很多研究基于各种类型的纳米材料，构建了一系列新颖的超薄且渗透通量很高的功能性分离膜。在这些纳米材料中，氧化石墨烯纳米薄膜作为一种典型的单原子二维纳米材料，具有极高的分离效率，成为一种全新的薄层分离膜。”李海涛说。但是，纯氧化石墨烯制备的滤膜，层间距很小，导致水渗透通量不足、耗时长、不耐高压且易碎。

为解决这一问题，李海涛课题组将活性炭(AC)插入了氧化石墨烯(GO)薄层膜制备出一种复合多孔碳膜微纳材料。

活性炭(AC)纳米颗粒结构本身具有独特的官能团，如羧基、羰基、酚、内酯、醌等，这可以有效增大复合膜本身的吸附能力。

“我们利用活性炭材料之间的协同作用，制备了基于氧化石墨烯的复合薄膜材料，实现了对引用水中抗生素物质的完全去除。”李海涛说。

氧化石墨烯表面含有丰富的含氧官能团，借助于“π-π”作用以及范德华力，氧化石墨烯对多种有机物具有良好的吸附效果。

“纳米活性炭的加入，不仅在氧化石墨烯片层之间起到了良好的骨架支撑作用，也极大地提高了石墨烯薄膜材料的吸附能力。”李海涛说，同时，活性炭材料有效地增加了氧化石墨烯的层间距离，实现薄膜材料比表面积的有效提升。

实验证明，与其他材料相比，该复合材料对强酸、强碱均有很好的耐受性，应用范围较广。

“在这项研究中，我们深入探讨了由二维氧化石墨烯/一维活性炭材料组成的复合膜材料对于水中残留盐酸四环素(TCH)的去除作用机理。”李海涛说。

研究发现，柔性的氧化石墨烯/活性炭复合膜对盐酸四环素(TCH)分子表现出非常强的吸附能力。李海涛解释，这种良好的吸附性能主要来自于氧化石墨烯和活性炭与抗生素分子之间良好的相互作用。但是单纯的氧化石墨烯薄膜会发生严重地堆叠，活性炭材料则及其容易产生团聚效应。

“将活性炭材料通过界面相互作用分散于氧化石墨烯表面，在复合薄膜中成功地降低了氧化石墨烯片层的堆叠效应，大大提高了复合薄膜材料的比表面积和孔隙率，使得氧化石墨烯和活性炭材料可以充分地发挥作用。”李海涛说。

李海涛解释，从化学角度来看，氧化石墨烯/活性炭复合膜对盐酸四环素(TCH)有极强的吸附能力，这归因于碳材料与盐酸四环素(TCH)之间良好的界面相互作用，包括氢键、π-π电子堆叠、静电相互作用、范德华力等，这样的研究结果远远高于纯氧化石墨烯膜的吸附能力。