氧化石墨烯膜
關注創建者：憤怒的小雞 創建時間：2019-03-06
氧化石墨烯膜的實例教程
氧化石墨烯片層組裝中的結構調控已有廣泛的研究涉及，對于應用在分離過程的氧化石墨烯薄膜來說，其微結構在化學環境中的穩定性和有效性是實現分子分離的一個重要基礎。金屬陽離子因其和氧化石墨烯片層上的六元環區域和氧化官能團區域具有相互作用而能加強氧化石墨烯材料的結構物化性質。
南京工業大學金萬勤課題組近期在Science China Materials上發表論文，他們采用負載了金屬陽離子的基膜用于抽濾氧化石墨烯分散液沉積成膜，在此過程中，水相里氧化石墨烯片層的堆疊和陽離子的擴散同時發生且不會因為陽離子的引入而導致氧化石墨烯分散液絮凝。通過這種制備方法，最終得到了薄而均勻的分離膜層。論文研究了二價和一價陽離子對氧化石墨烯膜層形成的影響以及膜性能的變化，其中二價陽離子修飾后的氧化石墨烯膜表現出了更為顯著的結構穩定性和分離性能。該簡便有效的制備和改性方法對于其他二維材料的結構組裝控制也具有一定意義。
圖1 抽濾氧化石墨烯分散液沉積成膜示意圖
該研究成果最近發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9401-1。
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圖文導讀
圖1.氧化石墨烯膜塑化過程及層間距變化示意圖
濕法組裝的氧化石墨烯膜通常呈現“強而脆”的力學特性，無法像高分子或金屬般進行塑性加工。通過溶劑插層塑化這一策略，氧化石墨烯膜的加工脆性得到顯著改善，實現了包括宏觀立體結構、圖案化和納米微陣列等表面結構的精細加工。
圖2.塑化后氧化石墨烯膜力學行為特征
塑化后的氧化石墨烯膜層間距從0.8 nm增加至1.3 nm，層間相互作用急劇衰減，片層的自由運動被激活。在拉伸、彎曲和剪切變形下，均表現出明顯的塑性變形行為。在拉伸變形中，塑化前后氧化石墨烯膜的斷裂伸長率從1.3%提高至10%，SEM圖像觀察到層理、屈曲和45度剪切帶等典型塑形斷裂特征結構；在彎曲變形中，塑化后的氧化石墨烯膜可以對折而不產生外表面裂紋，其主要通過內部片層的層理來耗散外界做功；在剪切變形中，塑化后的膜發生微米級的局域塑性變形。塑性因子由0.29提升至0.91。
圖3.亞微米級再加工精度
塑性變形能力的全面提升使得氧化石墨烯膜的加工精度邁向亞微米尺寸。以雙通AAO為模板，可以實現石墨烯管狀陣列微壓印，所得管直徑約為400 nm，相較氧化石墨烯原料尺寸（約10微米）縮小了兩個數量級。通過TEM圖像可知，氧化石墨烯片層通過卷曲或折疊的構象進入到納米孔道中，且堆疊程度顯著下降。
展開 通過溶劑插層塑化這一策略，氧化石墨烯膜的加工脆性得到顯著改善，實現了包括宏觀立體結構、圖案化和納米微陣列等表面結構的精細加工。
圖2.塑化后氧化石墨烯膜力學行為特征
塑化后的氧化石墨烯膜層間距從0.8 nm增加至1.3 nm，層間相互作用急劇衰減，片層的自由運動被激活。在拉伸、彎曲和剪切變形下，均表現出明顯的塑性變形行為。在拉伸變形中，塑化前后氧化石墨烯膜的斷裂伸長率從1.3%提高至10%，SEM圖像觀察到層理、屈曲和45度剪切帶等典型塑形斷裂特征結構；在彎曲變形中，塑化后的氧化石墨烯膜可以對折而不產生外表面裂紋，其主要通過內部片層的層理來耗散外界做功；在剪切變形中，塑化后的膜發生微米級的局域塑性變形。塑性因子由0.29提升至0.91。
圖3.亞微米級再加工精度
塑性變形能力的全面提升使得氧化石墨烯膜的加工精度邁向亞微米尺寸。以雙通AAO為模板，可以實現石墨烯管狀陣列微壓印，所得管直徑約為400 nm，相較氧化石墨烯原料尺寸（約10微米）縮小了兩個數量級。通過TEM圖像可知，氧化石墨烯片層通過卷曲或折疊的構象進入到納米孔道中，且堆疊程度顯著下降。
圖4.可調控的表面功能
通過表面微結構的精細構筑和含氧官能團的密度調節，可以實現石墨烯宏觀膜表面親疏水性、離子傳輸速率、吸光率以及光熱轉化率等性能的提升。
展開 膜分離法作為一種新型的分離方式，以其綠色環保、低功耗、高效率的優異特性成為分離領域的寵兒，但膜分離法天然存在著通量和分離比不可兼得的缺陷，為了盡可能緩解這對矛盾，浙江大學的彭新生教授、孔學謙教授和清華大學的徐志平教授團隊共同合作，設計了一種以氧化石墨烯（GO）為支撐基底，將離子液體受限在GO的二維納米尺寸通道內的薄膜，實現了CO2的高效分離。
近幾年來，利用GO片層堆垛而成的薄膜來實現分子或離子的分離得到了廣泛的研究。其中，有團隊利用GO片層之間的水對CO2的高溶解度特性實現了CO2的有效分離，但是水的易揮發性以及流動性極大地限制了薄膜在高溫環境下和長時間條件下的應用。那么，如果有一種流動性更弱、揮發性更低、沸點更高同時對CO2溶解度更高的液體來彌補上述水的缺陷，是否可以改善薄膜的分離性能和穩定性呢？
基于上述猜想，浙江大學和清華大學團隊合作，選擇了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM][BF4]）這種離子液體來替代水制成以氧化石墨烯為支撐基底的薄膜（graphene oxide supported ionic liquid membrane， GO-SILM）。離子液體是一種飽和蒸汽壓低、粘度大、穩定性強、液態溫度范圍寬的綠色溶劑，同時對CO2又有很高的溶解度，在氣體分離領域已經得到了很多研究，完美符合上述的所有需求。離子液體受限在GO的納米通道內，一方面使氣體的傳輸機制由純GO膜的努森擴散轉變為溶解擴散機制，因此，離子液體對CO2較高的溶解度在CO2的分離過程中發揮了重要作用；另一方面，納米尺度的限制以及離子液體與GO的相互作用對離子液體本身的性質也造成了一定程度的變化，影響了離子液體陰陽離子的分布以及對氣體的溶解和擴散能力，進一步提升了薄膜的分離性能。
展開 智能調控物質通過多孔薄膜在膜領域有著重要的應用。近些年來，可響應不同外場刺激的智能納米門控薄膜，已被成功制備并在膜分離領域表現出優異的性能。氧化石墨烯（GO）膜，具有獨特的二維納米傳質通道，因此展現出快速水傳輸特性，并對分子有較高的選擇率。北京航空航天大學化學學院趙勇教授課題組近些年來在仿生分離膜用于多相液體與分子分離領域中取得了一系列的進展（Review: Sci. China. Chem., 2019, 62, 14）。在前期石墨烯分離膜工作中（Nat. Commun., 2017, 8, 2011），他們受植物氣孔啟發，制備了“高溫閉孔，低溫開孔”的仿生GO膜，在納濾尺度表現出優異的分離性質。近日，在該工作基礎上，團隊通過簡單調控溫度響應聚合物在GO上的接枝密度，制備了具有正/負可逆門控規律的溫度響應GO膜。進一步地，研究人員將具有相反門控性質的GO膜結合在一起，設計了一種具有自適應性的流體控制系統，在智能分離、流體可控輸運中均表現出優異的性質。相關成果以《Thermoresponsive Graphene Membranes with Reversible Gating Regularity for Smart Fluid Control》為題，發表于國際著名期刊《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.201808501)，北京航空航天大學卓越百人博士后劉敬崇博士為該論文第一作者。
作者通過傳統自由基聚合反應將溫敏聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺） (PNIPAM) 與GO共價連接，通過調控實驗參數，制備了具有不同PNIPAM接枝密度的GO/PNIPAM復合物。
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來源 | Nature Communications
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背景介紹
氣凝膠、泡沫和海綿等多孔材料具有許多獨特的機械、熱學、電學和化學性能，在隔熱、吸附、傳感器、催化、儲能等方面具有廣闊的應用前景。各種柔性多孔材料，包括可壓縮的、可彎曲的和可拉伸的多孔材料，已經通過優化它們的多孔微結構而得到廣泛的研究。其中，可拉伸氣凝膠和泡沫尤其具有吸引力，因為它們在柔性應變
來源 | Nano-Micro Letters
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背景介紹
高導熱、高強度的柔性導熱復合材料已經成為解決高功率密度柔性電子器件散熱問題的關鍵材料。石墨烯基導熱復合材料因石墨烯本征熱導率高和獨特的二維結構，賦予其較好的導熱性能。然而復合材料中石墨烯納米片在干燥時會收縮引入褶皺，大大降低了復合材料導熱性能和力學性能的進一步提高。本文基于面內拉伸策略和溶膠
經過強化焦耳加熱還原處理后，還原氧化石墨烯膜的k和電導率分別達到1285 W/mk和4200 S/cm。Huang等人提出棒狀涂層策略制備氧化石墨烯膜，石墨化處理后的氧化石墨烯膜的κ值為826 W/mk。
8月21日，易成新能公告稱，為加快年產120萬m2石墨烯導熱膜新材料產業化項目建設，公司全資子公司開封平煤新型炭材料科技有限公司（簡稱開封炭素）擬投資設立控股子公司，新公司名稱擬定為河南開炭超導熱材料有限公司。
來源：百度
其中，開封炭素擬出資5850萬元，持股比例為43.33％，出資方式以前期投入的石墨烯導熱膜中試線資產、石墨烯導熱膜知識產權及貨幣出資
因此，可考慮將兩者結合，用碳納米管做骨架，氧化石墨烯膜做連接，增加接觸面積來增強機械性能，同時提高縱向熱導率。
圖4 石墨烯基復合膜：(a)rGO 薄膜和 rGO+15 wt.
以氧化石墨烯為原料，制備有機改性氧化石墨烯，提高石墨烯的分散穩定性，并將其加入到尼龍粉體中，采用熔融紡絲工藝制備有機改性氧化石墨烯/尼龍纖維。
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