一种快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法

1.本发明涉及一种快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，属于膜分离技术领域。


背景技术：

2.氧化石墨烯(go)是一种典型的二维(2d)材料，在最近十年中受到了相当大的关注。由于geim等人报道了水通过46个亚微米厚的层压板go膜的不受阻碍的渗透(r.r.nair,h.a.wu,p.n.jayaram,i.v.grigorieva,a.k.geim,unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes,science,335(2012)442-444.)，因此对go膜的分离性能进行了广泛的研究。
3.尽管膜的厚度很薄，但迂回的质量传输通道大大增加了质量传输阻力，导致气体渗透率低，膜的分离性能没有竞争力。因此，为了制造出高渗透性的go膜，引入额外的质量传输通道是至关重要的。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：氧化石墨烯膜由于其迂回的传质通道导致了较高的传质阻力和渗透性的不足。本发明提出了一种具有丰富直接传输通道的氧化石墨烯(go)层状膜，用于氢气(h2)和二氧化碳(co2)的分离。与传统的用辐照处理go纳米片的方法不同，用快速重离子辐照来处理go层状膜，将气体渗透率提高几个数量级。
5.一种快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，包括如下步骤：
6.步骤1，在基膜的表面制备出氧化石墨烯分离膜；
7.步骤2，对步骤1中得到的分离膜采用快速重离子辐照处理。
8.步骤2中，快速重离子辐照过程发射的是1-10mev/u的
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xe离子。
9.辐照处理中，单位面积的分离膜的表面上照射量控制在10
9-10
11
个离子/平方厘米。
10.照射处理后，分离膜通过放置的方式使结构松弛。
11.步骤1中，氧化石墨烯膜的制备方法包括如下步骤：
12.配制氧化石墨烯分散液，沉积于基膜的表面，除溶剂后得到氧化石墨烯膜。
13.所述的氧化石墨烯分散液的浓度0.1-5mg/l。
14.沉积过程中采用真空抽吸的方式，并且氧化石墨烯在基膜表面的沉积量是0.01-0.1mg/cm2。
15.上述的制备得到的氧化石墨烯膜在用于对h2/co2分离中的应用。
16.所述的应用中，氧化石墨烯膜具有在0.1mpa、25℃条件下的100-15000gpu的渗透率，且具有3-10的h2/co2分离系数。
17.有益效果
18.辐照后go膜的h2渗透率和h2/co2选择性增强，是由于平面内孔隙和层间热通道的
声子耦合机制将能量转移到膜原子上，导致原子的强烈振动和受辐照区域温度的急剧上升，形成所谓的热尖峰。热尖峰使离子轨道几纳米范围内的材料熔化，导致局部体积迅速膨胀，使靠近膜两侧的熔融材料喷发。同时，膜体中熔融材料的快速膨胀产生了冲击波，引发了膜体较大范围内的结构变化。
29.膜的形态结构表征
30.辐照处理前后对go膜的形态和结构进行了表征。如图2的a所示，go纳米片被均匀地沉积在pes基底上，形成了厚度为50纳米的超薄go膜。正如在其他研究中所观察到的那样，该膜表面呈现出典型的皱褶形态。辐照后，go-0.2(i)膜保留了其原来的形态，但厚度略有下降，这可能是由于辐照引起的层间d间距的压缩和片状层的损失。将go的沉积量从0.2mg增加到0.8mg，使膜的厚度从50nm增加到200nm。在图2的h中，可以观察到go-0.8(i)的纳米孔结构，它是由入射的快速重离子束沿其轨道产生的。这种圆柱形的孔隙结构由一个轨道核心和一个沿核心延伸的较大的轨道光环组成。它表明重离子成功地穿透了整个go层，从而引入了潜在的分子传输通道。此外，出现了较大的皱纹结构(图2的l)，表明了热钉效应和离子轰击对go膜的约束性重排。随着膜厚度的增加，go膜在辐照后更容易产生缺陷结构。由于直通式孔隙的尺寸较小，无法从表面图像中直接观察到它。使用xrd对go膜的层间d间距进行了表征。发现go-0.2、go-0.4和go-0.8膜的d间距分别为0.499nm、0.498nm和0.501nm，表明在真空过滤力下，d间距具有良好的一致性。此外，随着沉积量的增加，峰值强度明显增加。在经过快速重离子辐照处理后，go膜的特征峰向右移动，表明层间d间距收缩。这可以归因于热刺的影响，它导致了材料的熔化，随后冷却并部分恢复受损区域，材料损失，产生含氧物种，以及层间交联。层间的共价交联可以减少层间的间隔。在go-0.2(i)膜中，由于超薄的go层，该峰太弱，无法检测和判断。尽管如此，在go-0.8(i)膜中观察到d间距从0.501纳米到0.464纳米的明显减少，表明辐照不仅在膜中产生了孔隙，而且还调节了go纳米片的堆叠。
31.对不同沉积量的go膜进行气体渗透测试
32.气体分离测试方法
33.气体渗透实验是用自制的装置进行的，并通过以下方法测量。膜的气体渗透性能是用一个恒压系统来评估的。实验前，用被测气体对膜组件和渗透系统进行清洗，以消除装置中的空气。在压力参数稳定1小时后，通过一个皂泡流量计(工作压力设定为0.1mpa)测量渗透量。气体渗透率的计算方法如下：
[0034][0035]
其中p为气体渗透率(gpu)，a为有效膜面积(cm2)，v为下游气体通量的测试体积(cm3)，δp为工作压力(mpa)，t为温度(℃)。1gpu＝10-6
cm3(stp)/(cm2·s·
cmhg)。
[0036]
h2/co2的理想选择性是根据气体渗透率计算出来的；它可以被计算为：
[0037]aij
＝pi/pj[0038]
其中α
ij
是h2/co2的理想选择性，pi和pj是气体渗透率。
[0039]
如图4所示，50纳米薄的go-0.2膜显示了51gpu的中等h2渗透率，表明层状膜的运输通道是迂回的。对于go-0.4和go-0.8膜，气体渗透率甚至太低，无法准确测量。在快速重离子辐照后，观察到气体渗透的明显增强。go-0.2膜的h2渗透率从51gpu提高到10106gpu，
几乎提高了200倍。尽管辐照引起的层间d间距的减少有利于气体的筛分，但约50纳米的超薄膜厚度使膜容易受到重离子辐照的影响，而由此产生的膜缺陷削弱了h2/co2的选择性。随着膜厚度的增加，h2的渗透率下降，而h2/co2的选择性增加。经过辐照的go-0.8(i)膜(约200纳米厚)表现出120gpu的h2渗透率，这比原始的go-0.2膜(约50纳米厚)高很多。这一结果表明，通过重离子辐照产生的通道可以大大简化质量传输途径，并导致气体渗透率的显著增加。此外，go-0.8(i)膜表现出8.2的h2/co2选择性，显示出分子筛分能力。


技术特征：
1.一种快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在基膜的表面制备出氧化石墨烯分离膜；步骤2，对步骤1中得到的分离膜采用快速重离子辐照处理。2.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，步骤2中，快速重离子辐照过程发射的是1-10mev/u的
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xe离子。3.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，步骤2中，辐照处理中，单位面积的分离膜的表面上照射量控制在10
9-10
11
个离子/平方厘米。4.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，照射处理后，分离膜通过放置的方式使结构松弛。5.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，步骤1中，氧化石墨烯膜的制备方法包括如下步骤：配制氧化石墨烯分散液，沉积于基膜的表面，除溶剂后得到氧化石墨烯膜。6.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯分散液的浓度0.1-5mg/l。7.根据权利要求1所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，其特征在于，沉积过程中采用真空抽吸的方式，并且氧化石墨烯在基膜表面的沉积量是0.01-0.1mg/cm2。8.权利要求1-7任一项所述的快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法所直接得到的氧化石墨烯膜在用于对h2/co2分离中的应用。9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的应用中，氧化石墨烯膜具有在0.1mpa、25℃条件下的100-15000gpu的渗透率。10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的应用中，氧化石墨烯膜具有3-10的h2/co2分离系数。

技术总结
本发明涉及一种快速重离子辐照处理氧化石墨烯膜的方法，属于膜分离技术领域。所提出的快速重离子辐照方法可以进一步操纵GO膜的丰富传输通道，显示出制造高渗透性气体分离膜的潜力。由于平面内孔隙和层间热通道的协同质量传输，以及辐照引起的交联导致的层间间距减小，辐照后GO膜的H2渗透率和H2/CO2选择性增强。选择性增强。选择性增强。


技术研发人员：陈桂宁 杨浩楠 刘公平 金万勤
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14