氧化石墨烯(GO)膜由于其优越的物理化学性质，在分离各种离子和分子方面得到了广泛的研究和应用。然而，它们的孔结构不一致，难以精确调节它们的d-间距，以及在水溶液中的不稳定性-特别是在极端pH值下-可能会阻碍它们的分离效率。在这项研究中，我们系统地研究了pH介导的氧化石墨烯膜的制备过程，并评估了所得膜的性能。扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)分析结果表明，较高的制备pH会导致氧化石墨烯层更厚，并且由于氧化石墨烯的羧基去质子化而导致d-间距增大。此外，pH辅助下，聚乙烯亚胺(PEI)和氧化石墨烯(GO)薄片之间的交联得到了促进，化学分析结果表明，在酸性环境下，主要反应是在基面上形成C-N键，而在碱性条件下，在边缘形成N-C=O(酰胺)键更为普遍。反过来，这相应地改变了SEM和XRD的趋势，在较高的制造pH下，由于掺入PEI的胺基的去质子化，可观察到更薄的GP层和更小的d-间距。这些发现有助于膜对不同无机盐和重金属离子的纳滤（NF）性能。发现在pH为11时形成的GP_pH11膜对Pb²⁺的去除率最高，>95%，是去除重金属离子的理想材料。
 
 
图1. Actual photographs of the pH-tuned GO (a–c) and GP membranes (d–f), their surface (g–l) and cross-sectional (s–x) SEM images, and their AFM images (m–r).
 

图2. (a) GO_pH3、(b) GO_pH7、(c) GO_pH11、(d) GP_pH3、(e) GP_pH7 和 (f) GP_pH11 膜 C1s 区域的 XPS 峰。
 

图3. 提出了GO和PEI在酸性和碱性条件下的反应机理。
 

图4. pH 调节后的 GO 和 GP 膜在 (a) 干态和 (b) 湿态下的 XRD 光谱。
 

图5. pH 调节的 GO 和 GP 膜的(a) 拉曼光谱、(b) 水接触角、以及 (c)  zeta 电位。
 
 
图6. 采用 pH 调节膜的纳滤结果：（a）纯水渗透性，（b）对四种常见无机盐的分离性能，（c）对金属离子的排斥性能，（d）操作压力变化。
 

图7. 所提出的分离机制是通过带正电荷、pH 值调节的 GP 膜进行的。
 

图8. (a) pH 调节 GP 膜的防污性能及其 (b) 长期运行中的稳定性。
 

图9. pH调节的GO和GP膜相对于正电子入射能量的(a)S参数和(b)R参数。
 
      相关研究成果由台湾科技大学应用科技研究所先进膜材料研究中心Hannah Faye M. Austria等人于2024年发表在Carbon (https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119019 )上。原文：Investigation of the pH-mediated fabrication process of pure and polyethyleneimine-crosslinked graphene oxide membranes for desalination and heavy metal ion separation

转自《石墨烯研究》公众号