氧化石墨烯纳米复合膜研究

论文摘要

近年来,随纳米科技的不断发展,将纳米材料用于制备高性能复合膜已成为膜技术领域的一个前沿研究方向。本文首次将氧化石墨烯（graphene oxide）用于氧化石墨烯/聚砜（PSf）复合超滤膜和氧化石墨烯/Nafion复合质子交换膜的制备,并分别对其性能进行了研究。采用改进的Hummers法与超声波作用联合制得氧化石墨烯。研究表明,制得的氧化石墨烯表面较粗糙,不全是单片层结构,存在几个单片层的叠加;在水、溶剂NMP和DMAc中能依靠静电排斥作用较好地分散;与氧化石墨相比,其化学结构无较明显差异,说明超声作用并没有破坏片层表面的含氧官能团,只是使片层剥离;其具有较好的热稳定性,完全失重温度可达630℃;基本不传导电子,为绝缘体,电导率为1.74×10-9S/m;有一定的质子传导能力,30℃时的质子电导率为6.85×10-5S/cm。采用浸没相转化法制备出氧化石墨烯/聚砜复合超滤膜。研究结果显示,氧化石墨烯能显著改变聚砜膜的内部结构,影响膜的孔隙率和平均孔径,且当其含量较高时,膜内出现横向孔;复合膜的膜面接触角减小,亲水性能得到改善;纯水通量最高可达聚砜膜的2.3倍,对BSA的截留率没有明显下降,均维持在85%以上;机械强度显著提高,最高可达聚砜膜的2倍,且这种效果在致密膜中能更好地体现;复合膜显现出同聚砜膜相似的耐热性能。制备出氧化石墨烯/Nafion复合质子交换膜。研究结果显示,复合膜具有良好的热稳定性能,随氧化石墨烯含量的增加,更利于膜在高温下保持尺寸稳定性;其膜表面接触角减小,亲水性能逐渐增强;拉伸强度最高可达到22.39MPa,比重铸Nafion提高了44%;复合膜的甲醇透过系数均低于重铸Nafion膜,阻醇性能得到改善;复合膜仍保有Nafion材料较高的质子传导能力,当温度超过120℃时,重铸Nafion膜的电导率开始下降,而复合膜（氧化石墨烯添加量超过2wt.%）的电导率仍在升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米复合膜研究进展
• 1.1.1 常用的纳米材料
• 1.1.2 纳米复合膜的制备方法
• 1.1.3 纳米材料对膜性能的影响
• 1.2 石墨烯及氧化石墨烯研究现状简述
• 1.2.1 石墨烯及氧化石墨烯概述
• 1.2.2 石墨烯及氧化石墨烯的特性及制备方法
• 1.2.3 石墨烯及氧化石墨烯复合材料的研究进展及面临问题
• 1.3 本文主要工作内容
• 第二章 氧化石墨烯的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂、材料与仪器
• 2.2.2 氧化石墨烯的制备
• 2.2.3 氧化石墨烯的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 氧化石墨烯的形貌
• 2.3.2 氧化石墨烯的分散性
• 2.3.3 氧化石墨烯的化学结构
• 2.3.4 氧化石墨烯的热稳定性
• 2.3.5 氧化石墨烯电导率的测试
• 2.4 本章小节
• 第三章 氧化石墨烯/聚砜复合超滤膜的制备研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂、材料与仪器
• 3.2.2 氧化石墨烯/聚砜复合超滤膜的制备
• 3.2.3 氧化石墨烯/聚砜复合超滤膜的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 复合膜的微观结构
• 3.3.2 复合膜的孔隙率
• 3.3.3 复合膜的孔径
• 3.3.4 复合膜的亲水性
• 3.3.5 复合膜的纯水通量
• 3.3.6 复合膜的截留率
• 3.3.7 复合膜的机械性能
• 3.3.8 复合膜的热稳定性
• 3.4 本章小节
• 第四章 氧化石墨烯/Nafion 复合质子交换膜的制备研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要试剂、材料与仪器
• 4.2.2 氧化石墨烯/Nafion 复合质子交换膜的制备
• 4.2.3 氧化石墨烯/Nafion 复合质子交换膜的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合膜的热稳定性
• 4.3.2 复合膜的含水量
• 4.3.3 复合膜的亲水性
• 4.3.4 复合膜的机械性能
• 4.3.5 复合膜的阻醇性能
• 4.3.6 复合膜的导电性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢