膜制备课程论文

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1、北京化工大学膜制备课程论文姓名：学号：学院：材料科学与工程学院专业：材料科学与工程论文标题：一种选择性透过水蒸气功能性薄膜任课导师：李培一种选择性透过水蒸气功能性薄近阶段，我拜读了以R・R.Nair为第一作者，A.K.geim为通讯作者的文章UnimpededPermeationofWaterThroughHelium-Leak-TightGraphene-BasedMembranes0此文于2012年发表于《SCIENCE》杂志上，同时他的通讯作者为诺贝尔物理学奖的获得者、石墨烯材料的发现者一一AndreGe

2、im。让我在芸芸众多的文献中眼前一亮，产生了不小的兴趣。作者发现亚微米厚的氧化右墨烯薄膜几乎完全不透过气体，包括氨气,但却允许水蒸气的自由渗透并就构效关系进行了探究。首先是实验过程。图1中，作者将石墨烯氧化得到氧化石墨烯，再使用Hummer法（声波降解法）加以超声分散制成制备石墨烯悬浊液。然后以铜片为基底，用喷涂的方式组装成亚微米厚的氧化石墨烯薄膜（图2）o最后把薄膜放在气体透过量测试仪上后，用硝酸刻蚀铜基底，使得薄膜裸露。在阅读其他文献过程中,我发现由于厚度很小，大多数薄膜都没有自支撑能力。所以在测试气密性时

3、都连带着基底进行测试，这必然导致基底对薄膜气体透过量产牛影响。而木文的石墨烯薄膜具有良好的力学性能，所以在亚微米的厚度实现了自支撑的功能，是此工作的优异之处。但是我也产生了一处疑惑，作者只刻蚀了直径lcm的圆形基底,导致此薄膜在测试气体透过量时的测试面积过小。其他文献中的测试面积一般为达到直径7.4〜9.8cm。而测试面积过小，必然导致数据不稳定，浮动较大。图3和图4为水蒸气和一般气体的透过速率测量方式。我发现两种测量方式有所不同，水蒸气透过速率的测量是通过下腔的液态盐水重量损失来进行的，而其他气体的透过量则由

4、检测器完成。明显的，测量水份重量损失的方式更加粗糙简便。而作者Z所以釆用这种方式，不用探测器测量水蒸气的透过速率是因为下文提到的水份损失达到了克级别，相对其他气体透过速率来说非常大，所以测量结果仍然是准确可信的。GraphbGraphsoxkleOraphenooxideoxidationutrasonkcationw$pem»on■►►h2o1图1A图2gloveboxcomputerizedweighingscaleleakdetector图4接下来进行性能分析。图5屮，作者首先使用12微米的PET薄膜作为

5、对比样品，进行了氨气的透过量测试。发现随着氨气的气压增加，PET样品的氧气透过速率不断增加，而0.5微米厚的石墨烯薄膜氨气透过量却几乎稳定为零，没有随着氮气压力增加而增加。众所周知，PET是一种气密性优异的薄膜，而此文中，PET薄膜的厚度24倍于石墨烯，却仍然在氨气阻隔方面完败，也侧面突出了石墨烯薄膜优异的气体阻隔性能。6420(snxJsE0L)SJSisa一12gmPET0.5pmGO30appliedHepressure(mbar)0.9H2OthroughGOH2Othroughopenapertur

6、eethanolH2OthroughreducedGOhexaneJ—01020time（h）图6图6是石墨烯薄膜在23°C,100%湿度环境下，对水蒸气的透过性测试，我们从红和紫线屮可以看到，石墨烯薄膜对乙醇和氨气都有着优异的阻隔性能，它们的透过量几乎为零。作者使用了经典的绕道原理来解释（图7）：由于石墨烯材料具有片层结构，同时拥有非常大的长径比，使得在薄膜中它可以实现类似于“砖头”一样的功能，气体分子无法透过砖头只能绕道砖头边缘寻找路径透过,这就大大增加了气体分子的透过路径。同时，石墨烯薄膜述具有很高的取向

7、度（图8）,使得“砖头”结构有序整齐的排列在薄膜屮，最大程度的利用了长径比的优势，增加气体透过路径，起到阻隔气体透过的功能。这就是石墨烯薄膜对于一•般气体具有优异阻隔性能的原因。此种利用大长径比和高取向来物理阻隔气体透过的方式也是目前文献报道中最常见的，并得到了广泛的认可。再看图6中的蓝色实线，我们发现石墨烯薄膜的水蒸气透过速率远远高于其他气体，甚至对于氨气这类分子直径很小的气体，水蒸气的透过速率也比它大约快10个数量级。作者解释这是由于石墨烯薄膜的三维层状结构类似于毛细管，对于水分子产生了强烈的毛细作用，使得

8、水分子可以在石墨烯层间快速移动。经过理论计算，水分子在石墨烯层间的移动速率可以达到惊人的20ni/so这就是石墨烯薄膜的水蒸气透过速率如此髙的原因所在。而现有文献的论证中，儿乎没有报道如此高的气体分子移动速率。这也是此项工作能在世界顶尖杂志《Science》刊登的重要原因。再看图6,蓝色虚线为没有覆盖任何薄膜的水蒸气透过速率即直径lcm的圆形区域的液态水表面蒸发速率，而蓝色实线为覆盖了