由二維（2D）材料制成的層壓膜的分離性能在很大程度上取決于其納米級(jí)結(jié)構(gòu)。除了調(diào)整2D材料的層間間距外，支撐基材的孔徑也會(huì)顯著影響膜的性能。本文中，我們將剛性2D共價(jià)有機(jī)骨架（COF）插入到部分還原的氧化石墨烯（prGO）層壓板中，以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的prGO/COF層壓膜。一方面，具有孔的原子薄2D COF用作納米間隔物，以增加prGO納米片之間的層間間隔并提供直接傳輸通道，從而降低了水的傳輸阻力。另一方面，COF增強(qiáng)了具有大孔的基材上prGO網(wǎng)絡(luò)的自支撐能力。我們的模型計(jì)算表明，由于皺紋和皺紋的增強(qiáng)，有效膜表面積增加了53.4％。與原始prGO膜相比，此策略可導(dǎo)致優(yōu)化的prGO/COF層壓膜的透水性提高27倍，而不會(huì)犧牲其對(duì)有機(jī)染料的排斥率。此外，在納米過濾測(cè)試中，prGO/COF膜可在5 bar的壓力下承受10h的很大程度的變形。總的來說，這項(xiàng)工作提供了一個(gè)多方向策略和一個(gè)設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)各種潛在應(yīng)用的高性能且堅(jiān)固的基于2D材料的層壓膜。
Figure 1. 通過水熱組裝和壓力輔助過濾方法制造prGO/COF膜的示意圖。
Figure 2. （a）合成COF的XRD圖譜（插圖：COF的模擬分子結(jié)構(gòu)）。（b）通過AFM測(cè)量的COF納米片的橫向尺寸分布（超聲剝落后）（測(cè)量了超過100片COF納米片）。（c）GO和prGO的XPS調(diào)查掃描光譜。（d）prGO的XPS C1s光譜。具有COF（e和f）和prGO（g和h）的相應(yīng)高度輪廓的AFM圖像。
Figure 3. （a）平均孔徑為0.45 mm的尼龍基材、（b）原始prGO膜、（c）prGO/COF-0.3和（d）prGO/COF-0.5表面的SEM圖像。（e）原始prGO膜，（f）prGO/COF-0.3和（g）prGO/COF-0.5的橫截面SEM圖像。
Figure 4.沉積在孔徑不同的尼龍基材上的原始prGO和prGO/COF層壓膜對(duì)MB的（a）排斥率和（b）透水率；（c）prGO和（d）prGO/COF-0.3在孔徑為0.65 mm的尼龍基材上的表面形態(tài)SEM圖像。（e）prGO/COF-0.3在不同的施加壓力下，對(duì)MB的透水率和排斥率。（f）prGO/COF-0.3在5 bar施加壓力下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
Figure 5. （a–c）沉積在具有不同孔徑的基質(zhì)上的prGO/COF-0.3膜的示意圖以及顯示橫截面的相應(yīng)SEM。（d）prGO和prGO/COF層壓膜中，納米間隔物的嵌入、底物的孔徑、膜表面粗糙度（RMS）和透水性之間的關(guān)系。
相關(guān)研究成果于2020年由悉尼大學(xué)Fei Liu、Alejandro Montoya和Yuan Chen課題組，發(fā)表在J. Mater. Chem. A（DOI: 10.1039/d0ta01727b）上。原文：Graphene oxide laminates intercalated with 2D covalent-organic frameworks as a robust nanofiltration membrane。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)：
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