Matter：一石三鳥——二維共價有機框架在石墨烯膜中的三重作用

背景介紹

石墨烯膜在有機溶液體系中比傳統高分子聚合膜有更好的穩定性，有用于實現有機溶劑膜分離的潛能，近期受到廣泛關注。然而，石墨烯膜狹窄曲折的層間距導致溶液通量較低。為了解決這個問題，研究人員嘗試將各種間隔物插入石墨烯膜來增加層間距。近期的研究表明將二維共價有機框架（COF）作為層間間隔物插入在石墨烯膜中可以增大膜的層間距，從而來提升通量。不同于之前的研究，這項新的研究發現二維COF不僅僅只是間隔物，通過實驗與計算相結合發現二維COF在有機分離體系石墨烯膜中同時起到了間隔物，穩定劑和多孔填充物的三重作用。

成果簡介

悉尼大學陳元教授課題組與新加坡南洋理工大學吳昆勵博士和周琨教授合作 （第一作者：隋瀟，王彧），通過實驗和理論計算，探究了二維COF在還原氧化石墨烯（rGO）膜中的作用。此項研究突破原有對二維COF在石墨烯膜中的作用的認識，闡明了COF在石墨烯膜用于有機分離中的三重作用。（1）干燥條件下，插入COF的雜化膜的層間距大于純rGO膜，此時COF的功能是間隔物。（2）然而，在不同有機溶劑中，插入COF的雜化膜的層間距不但沒有增大，反而小于或者接近于純rGO膜的層間距 。COF的插入可以緩解層間距在有機溶劑中的溶脹，從而加強膜的穩定性，此時COF起到穩定劑的作用。計算結果表明，COF在rGO中作為穩定劑的原因是因為有機溶液誘發了電荷在COF/rGO界面的重新排布，從而導致了COF與rGO之間產生吸引力。并且在不同溶劑中的吸引力大小不一樣，進而導致在不同溶劑中不同的層間距。（3）此外，COF的小片層尺寸和多孔結構可以起到縮短分子傳輸通道的長度，從而提高了雜化膜的溶劑通量。

相關研究成果以“The tripartite role of 2D covalent organic frameworks in graphene-based organic solvent nanofiltration membranes”為題發表在Matter上。

圖文解讀

圖1. （a）純二維COF?不易通過加壓過濾成膜，（b）COF與rGO雜化膜可通過簡單直接的加壓過濾制備。 （c-g）COF與rGO納米片的BET和AFM表征結果。（h-i）COF@rGO雜化膜的SEM圖像。

圖2. （a-b）不同比例的COF@rGO雜化薄膜的有機分離性能。（c-d）COF@rGO和純rGO薄膜在不同有機溶劑體系下的性能。（e）COF@rGO雜化膜在不同有機溶劑中測試48小時的性能。

圖3. （a）純rGO和COF@rGO雜化膜在干燥條件下和不同溶劑中的XRD。 （b）膜的層間距與溶劑介電常數的關系。（c）COF@rGO雜化膜在不同溶劑中的通量與溶劑粘度和介電常數的關系。

圖4. （a）用于計算模擬的結構模型。（b）在COF和rGO的界面，電荷在不同溶劑中發生重新排布。 （c）電荷排布導致了一個在COF與rGO之間的吸引力的產生。并且在不同溶劑中的吸引力大小不一樣，從而導致層間距在不同溶劑中的不同。

圖5. （a）分子傳輸通道的長度隨著COF的插入而減小。（b-c）COF的小片層尺寸和多孔結構減小了分子傳輸通道的長度。

小結

綜上所訴，作者本通過實驗和計算方法，探究了二維COF在rGO薄膜中的三重作用。當膜干燥時，COF作為間隔物可增加rGO薄膜的層間距；在溶劑中時，COF作為穩定劑可以減緩雜化膜的溶脹；此外，COF還起到多孔填充物的作用，COF的小尺寸片層和多孔結構提供了更短的傳輸通道使膜的通量增加。這些新的發現可為今后的二維材料薄膜用于有機分離體系的設計提供更全面的指導。

文獻鏈接

The tripartite role of 2D covalent organic frameworks in graphene-based organic solvent nanofiltration membranes

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521003131

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