國產新型石墨烯薄膜吸附率創新高
瀏覽次數： 342 發布時間：2017-03-31 10:36:34 發布人：editor
抗生素藥物是最廣泛使用的藥物類型之一。日前，據《科學通報》報告稱，我國地表水中含有68種抗生素，且濃度較高。此外，還有90種非抗生素類醫藥成分被檢出。而目前的水處理技術還難以完全去除水中的微量抗生素，高效去污裝置的開發顯得尤為迫切。
近日，江蘇師范大學李海濤教授課題組率先成功開發了一種石墨烯多功能復合膜。據發表在《自然》雜志子刊《Scientific Reports》上的研究成果顯示，這種超輕超薄的石墨烯—活性炭薄膜吸附效率，對包括抗生素在內的顆粒狀物體可達99.99%。
“很多研究基于各種類型的納米材料，構建了一系列新穎的超薄且滲透通量很高的功能性分離膜。在這些納米材料中，氧化石墨烯納米薄膜作為一種典型的單原子二維納米材料，具有極高的分離效率，成為一種全新的薄層分離膜。”李海濤說。但是，純氧化石墨烯制備的濾膜，層間距很小，導致水滲透通量不足、耗時長、不耐高壓且易碎。
為解決這一問題，李海濤課題組將活性炭(AC)插入了氧化石墨烯(GO)薄層膜制備出一種復合多孔碳膜微納材料。
活性炭(AC)納米顆粒結構本身具有獨特的官能團，如羧基、羰基、酚、內酯、醌等，這可以有效增大復合膜本身的吸附能力。
“我們利用活性炭材料之間的協同作用，制備了基于氧化石墨烯的復合薄膜材料，實現了對引用水中抗生素物質的完全去除。”李海濤說。
氧化石墨烯表面含有豐富的含氧官能團，借助于“π-π”作用以及范德華力，氧化石墨烯對多種有機物具有良好的吸附效果。
“納米活性炭的加入，不僅在氧化石墨烯片層之間起到了良好的骨架支撐作用，也極大地提高了石墨烯薄膜材料的吸附能力。”李海濤說，同時，活性炭材料有效地增加了氧化石墨烯的層間距離，實現薄膜材料比表面積的有效提升。
實驗證明，與其他材料相比，該復合材料對強酸、強堿均有很好的耐受性，應用范圍較廣。
“在這項研究中，我們深入探討了由二維氧化石墨烯/一維活性炭材料組成的復合膜材料對于水中殘留鹽酸四環素(TCH)的去除作用機理。”李海濤說。
研究發現，柔性的氧化石墨烯/活性炭復合膜對鹽酸四環素(TCH)分子表現出非常強的吸附能力。李海濤解釋，這種良好的吸附性能主要來自于氧化石墨烯和活性炭與抗生素分子之間良好的相互作用。但是單純的氧化石墨烯薄膜會發生嚴重地堆疊，活性炭材料則及其容易產生團聚效應。
“將活性炭材料通過界面相互作用分散于氧化石墨烯表面，在復合薄膜中成功地降低了氧化石墨烯片層的堆疊效應，大大提高了復合薄膜材料的比表面積和孔隙率，使得氧化石墨烯和活性炭材料可以充分地發揮作用。”李海濤說。
李海濤解釋，從化學角度來看，氧化石墨烯/活性炭復合膜對鹽酸四環素(TCH)有極強的吸附能力，這歸因于碳材料與鹽酸四環素(TCH)之間良好的界面相互作用，包括氫鍵、π-π電子堆疊、靜電相互作用、范德華力等，這樣的研究結果遠遠高于純氧化石墨烯膜的吸附能力。