[发明专利]亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用，本发明的亚纳米多孔石墨烯渗透膜能够对海水中的水分子和钾离子、钠离子、氯离子进行选择性过滤，从而应用于海水的淡化处理，主要通过石墨烯渗透膜上的孔隙直径为0.35‑0.65nm的多孔阵列实现。本发明还提供了亚纳米多孔石墨烯渗透膜的制备方法，依次采用镓离子源的聚焦离子束轰击聚脂薄膜衬底、将单层石墨烯转移到聚脂薄膜衬底上、采用氦离子源的聚焦离子束轰击石墨烯形成高密度规则阵列缺陷、以及采用等离子刻蚀阵列缺陷部位形成亚纳米多孔石墨烯渗透膜，使其能够使水分子通过而K⁺、Na⁺以及Cl^‑不能通过从而达到淡化海水的目的。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及亚纳米多孔石墨烯渗透膜及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，国内外主要有采用自下而上化学合成亚纳米孔隙石墨烯薄膜和电子束曝光、离子辐照(离子轰击、离子束蚀刻)、化学蚀刻、等离子体蚀刻等自上而下的方法在原始石墨烯薄膜上制备出亚纳米孔隙并将其应用于海水淡化领域。离子辐照可以通过离子束的入射角、能量、类型和通量的控制产生密度、缺陷类型可控的高密度缺陷，而个别碳原子的敲出或晶格重排导致这些缺陷大多是不稳定的。化学蚀刻方法可以根据蚀刻剂如氧气、氢气和氧化蚀刻剂的类型产生具有官能团的稳定的纳米孔，然而该方法很难控制这些纳米孔隙的尺寸分布。等离子蚀刻方法使用氢或氧等离子体在悬浮的石墨烯薄膜中均匀地产生尺寸和密度可控的纳米孔，而且石墨烯纳米孔隙缺陷易于进行功能化修饰，结合高分辨率聚焦氦离子束制备高密度亚纳米多孔石墨烯薄膜具有更好地优势，进而实现海水中盐离子选择性过滤功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供亚纳米多孔石墨烯渗透膜；本发明的目的之二在于提供亚纳米多孔石墨烯渗透膜的制备方法；本发明的目的之三在于提供亚纳米多孔石墨烯渗透膜在海水淡化中的应用。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

1、纳米多孔石墨烯渗透膜，所述石墨烯渗透膜具有亚纳米的多孔阵列结构，所述亚纳米的多孔阵列中孔隙直径为0.35-0.65nm，所述孔隙直径大于水分子范德华直径(约为0.28nm)，小于水合离子K⁺、Na⁺、Cl^-的直径(约0.66-0.72nm)，所述石墨烯渗透膜通过聚焦离子束高精度轰击和等离子体刻蚀技术结合的方法制备得到。

优选的，所述石墨烯渗透膜能够对海水中的钠离子和氯离子进行选择性过滤，即允许水分子通过而不允许钠离子和氯离子通过。

2、亚纳米多孔石墨烯渗透膜的制备方法，所述方法具体步骤如下：

(1)选取聚脂薄膜作为衬底材料，采用去离子水超声清洗1-10min，用氮气吹干得到聚脂薄膜衬底备用；

(2)采用镓作为离子源对聚脂薄膜衬底进行聚焦离子束轰击，在聚脂薄膜衬底上形成高密度纳米孔阵列，所述纳米孔的直径为1-2μm，制备得到具有高密度纳米孔阵列的聚脂薄膜；

(3)将单层石墨烯转移至具有高密度纳米孔阵列的聚脂薄膜上得到聚脂薄膜基单层石墨烯；

(4)采用氦作为离子源对聚脂薄膜基单层石墨烯进行聚焦离子束轰击，在聚脂薄膜基单层石墨烯上轰击出高密度规则阵列缺陷，所述阵列的周期为10-20nm；

(5)采用等离子体蚀刻技术对步骤(4)中形成的阵列缺陷部位进行刻蚀，将聚脂薄膜基单层石墨烯的高密度规则阵列缺陷进一步刻蚀出亚纳米孔隙，所述亚纳米孔隙表面呈现不同的官能团，所述亚纳米孔隙的直径为0.35-0.65nm，即可得到亚纳米多孔石墨烯渗透膜。

优选的，步骤(1)中所述聚脂薄膜的规格为1cm x 1cm，厚度为0.5-1mm。