其🏿次是如何在薄膜内部引入高😦🃦密度均一孔径分布的亚纳米孔🄰🁋,实现水分子的高效选择性通过和盐离子/有机分子的有效截留。
对于第一个难题,碳纳米管具有优异的机🁭🉄🄮械性能,并且与石墨烯的结构类似,两者之间可以通过π-π键和范德华力相互作用。
由碳纳米管搭😉⛊😱接形成的碳纳米管薄膜是一种多孔的网络结构(☖⛃🗱平均孔🞧🖟📼径300纳米)的薄膜,不仅可以与石墨烯的结构完美匹配,也不会影响水渗透率。
因此,因此国内的研究机构想到🈂🞫将纳米孔石墨烯与碳纳米管结合来弥补前者的🜫🅅🄍缺陷。
他们先在铜箔上生长出一层单😦🃦层石墨烯,🁭🉄🄮再在上面的一些区域覆盖相互连通的碳纳米管网络,将铜箔溶蚀掉之后就得到了一张碳纳米管支撑的石墨烯薄膜。
为取得高密度均一孔径分布的亚纳米孔,他们在石墨烯表面生长了一层均一孔径分布的介孔氧化硅(平均孔径2纳米)作为掩模板,用氧等离子体刻蚀去掉介孔氧化硅孔径内的石墨烯。
氧等🌟⛼离子体刻蚀时间越长,🁷刻蚀掉🗞的石墨烯越多,石墨烯的孔径也就越大。
这样就可以通过调控氧等离子体刻蚀的时间来调控石墨烯纳米☖⛃🗱筛的孔径。当刻蚀时间控制在10秒时,孔径为0.63纳米,可以有效允🎆许直径0.32纳米🁔的水分子通过并阻挡直径0.7纳米的盐离子。
这种薄膜可以不经聚合物支撑悬空、弯曲、拉张而🔳🄯不产生明显裂缝。
测试和计🖪🕝算结果显示,新的薄膜能承受380.6mpa应力,杨氏模量达到9.7gpa,这3倍于碳纳米管🌿🄶薄膜,相当于纳米孔石墨烯薄膜2.4倍♆🆍的拉伸刚度和10000倍的弯曲刚度。
于是,他们做出了一张又大又强韧的石墨烯🔅♵介🞮孔薄膜。
那么它的过滤性能又如何呢?
在10秒之内,刻蚀的石墨烯纳米🗞筛/碳🁭🉄🄮纳米管薄膜渗透率可以达到20.6升每平米每小时每大气压。
24小时渗透😉⛊😱之🏊后盐离子截留率大于9🉀🄒☨7%。
相对商用的三乙酸纤维素淡化膜,新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜的水渗透率提高了10🍜🈺🃜0倍,抗污染能力更强。
而且由于不受内部浓差极化效应制约,薄膜在高浓度盐环境下仍然可以保🈷🂿持较高的🗍🚓📁水渗透率。