一种多孔石墨烯分离膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种多孔石墨烯分离膜及其制备方法，分离膜包括多孔基底和附着在多孔基底上的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上有通孔，通孔的孔径为亚纳米级；石墨烯薄膜的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底为绝缘体，通过对分离膜化学功能化处理或物理通电使其表面带电，电荷密度为1‑6e/nm

A porous graphene separation membrane and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多孔石墨烯分离膜及其制备方法
本专利技术属于膜分离
，具体涉及一种多孔石墨烯分离膜及其制备方法。
技术介绍
膜分离技术在气体分离领域具有广泛的应用前景，目前多孔石墨烯(具有纳米孔的石墨烯)作为一种新型的气体分离膜具有超高的渗透率，展现出了突出的优势。该分离膜的基本原理是基于分子大小的筛选效应，其选择性完全依赖于石墨烯薄膜上纳米孔的大小，纳米孔大小在原子量级上的变化就会大大影响分离膜的选择性。如果纳米孔的直径增加几个埃(10-10m)，多孔石墨烯分离膜的分离选择性就会降低很多倍。对于多孔石墨烯气体分离膜，目前最大的挑战就是精确控制石墨烯薄膜上纳米孔的大小使其产生高选择性的气体分离。目前，产生纳米孔的方法主要有电子束冲击、离子撞击、化学腐蚀以及石墨烯合成过程中直接产生等，这些方法都很难在原子量级上精确控制纳米孔的大小。为了提高多孔石墨烯分离膜的选择性，人们都想办法在产生纳米孔的过程中精确控制其大小。如果能够克服技术偏见，使较大纳米孔出现分离选择性，就无需在产生纳米孔的过程中精确控制纳米孔的大小也能实现多孔石墨烯分离膜的高选择性气体分离，从而直接解决纳米孔大小精确控制的难题，对于多孔石墨烯分离膜技术的发展非常有意义。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种多孔石墨烯分离膜及其制备方法，把非选择性较大纳米孔调控为选择性纳米孔，直接避免对纳米孔大小精确控制的苛刻要求，从而解决纳米孔大小控制的难题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种多孔石墨烯分离膜，包括多孔基底和附着在多孔基底上的石墨烯薄膜，表面带电，石墨烯薄膜为多孔结构，多孔结构中孔径小于1nm；石墨烯薄膜的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底为绝缘体。其表面电荷密度为1-6e/nm2。本专利技术所述多孔石墨烯分离膜的制备方法，通过对分离膜化学功能化处理或物理通电使其表面带电。对石墨烯薄膜的表面进行化学功能化处理，用具有带电基团的极性分子对石墨烯薄膜表面进行化学功能化处理，然后直接转移到多孔基底上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。用具有带电基团的极性分子直接对多孔基底表面进行化学功能化处理，然后将石墨烯薄膜转移到化学修饰处理后的多孔基底上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。带负电基团的极性分子采用脂肪酸根、磺酸根、硫酸酯根、氨基酸根、烯醇根或酮基磺胺根类极性分子；带正电基团的极性分子采用脂肪胺根、芳香胺根、季胺根或吡啶根类极性分子。将石墨烯薄膜在10-80℃的条件下用pH值为7-12的极性分子溶液浸泡1-48h，然后将浸泡后的石墨烯薄膜取出，用去离子水清洗，将带电的石墨烯薄膜覆在多孔基底上，即得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜，极性分子溶液的溶剂为醇类溶剂。将多孔基底在10-80℃的条件下用pH值为7-12的极性分子溶液浸泡1-48h，然后将浸泡后的多孔基底取出，用去离子水清洗，再将石墨烯薄膜覆在多孔基底上，得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜，极性分子溶液的溶剂为醇类溶剂。石墨烯薄膜直接跟带电的电极连接，得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜。电极采用针电极。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：多孔基底和附着在多孔基底上的石墨烯薄膜，表面带电，石墨烯薄膜为多孔结构，多孔结构的孔径小于1nm；首先只有小于所述孔径的分子才能通过所述分离膜，石墨烯薄膜的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底为绝缘体，其表面带有电荷，通过给石墨烯表面选择性地带正/负电，进而选择性地改变气体分子在石墨烯表面的吸附能力及纳米孔中的渗透能力，使较大纳米孔出现分离选择性，最终提高多孔石墨烯分离膜的性能。通过本专利技术所述方法无需精确控制或改变纳米孔大小就能提高石墨烯薄膜的选择性；石墨烯薄膜表面带电容易实现，并且操作方法简单；只需控制表面带电的电荷密度，实现石墨烯薄膜选择性的调控，过程控制变量少，容易实现。附图说明图1为石墨烯表面化学功能化处理示意图；图2为多孔基底表面化学功能化处理示意图；图3为石墨烯薄膜连接电极示意图；图4为分离膜表面电荷密度对分离膜性能的影响；具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。一种多孔石墨烯分离膜，包括多孔基底和附着在多孔基底1上的石墨烯薄膜2，表面带电，石墨烯薄膜2为多孔结构，多孔结构的孔径小于1nm；石墨烯薄膜2的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底1为绝缘体；其表面电荷密度为1-6e/nm2。表面带电的多孔石墨烯分离膜的制备方法，通过对分离膜化学功能化处理或物理通电使其表面带电，电荷密度为1-6e/nm2。参考图1，对石墨烯薄膜2的表面进行化学功能化处理，用具有带电基团的极性分子3对石墨烯薄膜2表面进行化学功能化处理，然后直接转移到多孔基底1上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。参考图2，用具有带电基团的极性分子3直接对多孔基底1表面进行化学功能化处理，然后将石墨烯薄膜2转移到化学修饰处理后的多孔基底1上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。带负电基团的极性分子3采用脂肪酸根、磺酸根、硫酸酯根、氨基酸根、烯醇根或酮基磺胺根类极性分子；带正电基团的极性分子3采用脂肪胺根、芳香胺根、季胺根或吡啶根类极性分子。将石墨烯薄膜2在10-80℃的条件下用pH值为7-12的极性分子溶液浸泡1-48h，然后将浸泡后的石墨烯薄膜2取出，用去离子水清洗，将带电的石墨烯薄膜2覆在多孔基底1上，即得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜，极性分子溶液的溶剂为醇类溶剂。将多孔基底1在10-80℃的条件下用pH值为7-12的极性分子溶液浸泡1-48h，然后将浸泡后的多孔基底1取出，用去离子水清洗，再将石墨烯薄膜2覆在多孔基底1上，得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜，极性分子溶液的溶剂为醇类溶剂。参考图3，石墨烯薄膜2直接跟带电的电极4连接，得到表面带电且具有选择性的多孔石墨烯分离膜。本专利技术的基本原理为通过给石墨烯表面带电，提高气体分子在石墨烯表面的吸附能力，进而提高该分子在石墨烯纳米孔中的渗透能力；通过给石墨烯表面选择性地带正/负电，可以选择性地改变气体分子在石墨烯表面的吸附能力及纳米孔中的渗透能力，进而提高石墨烯纳米孔的选择性，最终提高多孔石墨烯分离膜的性能。由于气体分子在石墨烯纳米孔中的渗透速率跟其在表面的吸附强度直接相关，气体分子的吸附能力越强其通过表面扩散穿过纳米孔的速率越快，进而渗透多孔石墨烯分离膜的渗透率越高。为了实现石墨烯表面的带电，本专利技术针对由基底和多孔石墨烯组成的复合分离膜提出了两类方法，一是通过表面化学功能化处理，二是通过分离膜连接电极，并进行通电处理；其中化学功能化处理又有两种途径，一是对支撑石墨烯薄膜2的多孔基底表面进行化学功能化处理，二是直接对石墨烯薄膜2的表面进行化学功能化处理。图1为直接对石墨烯薄膜2进行化学功能化处理的示意图，石墨烯薄膜2直接跟多孔基底接触，多孔基底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔石墨烯分离膜，其特征在于，包括多孔基底(1)和附着在多孔基底(1)上的石墨烯薄膜(2)，表面带电，石墨烯薄膜(2)为多孔结构，多孔结构中孔径小于1nm；石墨烯薄膜(2)的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底(1)为绝缘体。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔石墨烯分离膜，其特征在于，包括多孔基底(1)和附着在多孔基底(1)上的石墨烯薄膜(2)，表面带电，石墨烯薄膜(2)为多孔结构，多孔结构中孔径小于1nm；石墨烯薄膜(2)的厚度不超过十个原子层的厚度，多孔基底(1)为绝缘体。


2.根据权利要求1所述的多孔石墨烯分离膜，其特征在于，其表面电荷密度为1-6e/nm2。


3.一种权利要求1或2所述多孔石墨烯分离膜的制备方法，其特征在于，通过对分离膜化学功能化处理或物理通电使其表面带电。


4.根据权利要求3所述的多孔石墨烯分离膜的制备方法，其特征在于，对石墨烯薄膜(2)的表面进行化学功能化处理，用具有带电基团的极性分子(3)对石墨烯薄膜(2)表面进行化学功能化处理，然后直接转移到多孔基底(1)上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。


5.根据权利要求3所述的多孔石墨烯分离膜的制备方法，其特征在于，用具有带电基团的极性分子(3)直接对多孔基底(1)表面进行化学功能化处理，然后将石墨烯薄膜(2)转移到化学修饰处理后的多孔基底(1)上，得到表面带电且具有选择性的分离膜。


6.根据权利要求4或5所述的多孔石墨烯分离膜的制备方法，其特征在于，带负电基团的极性分...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙成珍，白博峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61