近日，江蘇師范大學(xué)李海濤教授課題組率先成功開(kāi)發(fā)了一種石墨烯多功能復(fù)合膜。據(jù)發(fā)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(duì)包括抗生素在內(nèi)的顆粒狀物體可達(dá)99.99%。

 

“很多研究基于各種類型的納米材料，構(gòu)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(shuō)。但是，純氧化石墨烯制備的濾膜，層間距很小，導(dǎo)致水滲透通量不足、耗時(shí)長(zhǎng)、不耐高壓且易碎。

 

為解決這一問(wèn)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(fù)合多孔碳膜微納材料。

 

活性炭（AC）納米顆粒結(jié)構(gòu)本身具有獨(dú)特的官能團(tuán)，如羧基、羰基、酚、內(nèi)酯、醌等，這可以有效增大復(fù)合膜本身的吸附能力。

 

“我們利用活性炭材料之間的協(xié)同作用，制備了基于氧化石墨烯的復(fù)合薄膜材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)引用水中抗生素物質(zhì)的完全去除。”李海濤說(shuō)。

 

氧化石墨烯表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，借助于“π-π”作用以及范德華力，氧化石墨烯對(duì)多種有機(jī)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(shuō)，同時(shí)，活性炭材料有效地增加了氧化石墨烯的層間距離，實(shí)現(xiàn)薄膜材料比表面積的有效提升。

 

實(shí)驗(yàn)證明，與其他材料相比，該復(fù)合材料對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿均有很好的耐受性，應(yīng)用范圍較廣。

 

“在這項(xiàng)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(fù)合膜材料對(duì)于水中殘留鹽酸四環(huán)素（TCH）的去除作用機(jī)理。”李海濤說(shuō)。

 

研究發(fā)現(xiàn)，柔性的氧化石墨烯/活性炭復(fù)合膜對(duì)鹽酸四環(huán)素（TCH）分子表現(xiàn)出非常強(qiáng)的吸附能力。李海濤解釋，這種良好的吸附性能主要來(lái)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重地堆疊，活性炭材料則及其容易產(chǎn)生團(tuán)聚效應(yīng)。

 

“將活性炭材料通過(guò)界面相互作用分散于氧化石墨烯表面，在復(fù)合薄膜中成功地降低了氧化石墨烯片層的堆疊效應(yīng)，大大提高了復(fù)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(fā)揮作用。”李海濤說(shuō)。

 

李海濤解釋，從化學(xué)角度來(lái)看，氧化石墨烯/活性炭復(fù)合膜對(duì)鹽酸四環(huán)素（TCH）有極強(qiáng)的吸附能力，這歸因于碳材料與鹽酸四環(huán)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(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純氧化石墨烯膜的吸附能力