| 纳孔石墨烯的可控合成及其膜分离应用研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 谭洪鑫 | |
| Thesis Advisor | 邱洪灯 ; 李湛 |
| 2021-05-30 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 分析化学 |
| Keyword | 膜分离,纳孔石墨烯,手性分子,稀土离子 |
| Abstract | 在能源、环境、人口与健康等领域，分离分析技术具有极其重要的地位。与其他分离技术相比，膜分离作为一种新兴的分离技术已被广泛的应用于气体分离、海水淡化和血液透析等领域。二维纳米材料因具有原子级别的厚度和新颖的结构，理论上可以提供最大的渗透性能，非常适合于分离应用，被誉为最理想的下一代分离膜材料。其中，纳孔石墨烯作为新兴材料的代表显示出了广阔的应用前景。纳孔石墨烯面内纳米孔的存在可以缩短离子分子的穿透路径，大幅提高物质的穿透能力。另外，通过对纳米孔进行特异性修饰，可以实现不同物质的分离。因此，本论文发展出简单快速的纳孔石墨烯与氮掺杂纳孔石墨烯的限域燃烧合成方法，并通过涡旋抽滤等技术手段，构建出具有不同分离功能的高效分离膜，实现了稀土离子、对映体分子等的高选择性分离。主要内容如下: 1. 首先，通过对经典的Hummers法适当拓展，使反应副产物-硫酸锰在氧化石墨烯层间形成多孔模板，随后利用燃烧法，一步快速合成出纳孔石墨烯材料。通过调控氧化石墨烯和硫酸盐的混合物浓度，即可制备出不同孔径的纳孔石墨烯。该方法省去了氧化石墨烯合成反应中反复洗涤的过程，将反应副产物作为造孔模板，实现了从石墨到纳孔石墨烯的一步直接合成。随后，利用涡旋抽滤成膜策略，将不同孔径的纳孔石墨烯制备成具有非共价涡旋结构的纳孔石墨烯滤膜。研究表明，纳孔石墨烯膜表面不仅存在手性涡旋结构，而且其正面和反面具有相反的旋光性。进一步研究证实，无涡旋结构的纳孔石墨烯膜没有手性分离能力，而具有涡旋结构的纳米石墨烯膜可实现外消旋氨基酸分子快速高效分离，分离因子高达4.76。因此，本研究通过简单的物理搅拌手段成功构建出一种新型的手性纳孔石墨烯膜。这不仅把纳孔石墨烯材料引入到手性药物分离领域，而且为手性分离膜的构筑提供了一种新策略和新技术。 2. 将纳孔石墨烯和商用硝化纤维素复合，制备出一种可用于水溶液中分子离子的高选择性分离的纳孔石墨烯透析袋。硝化纤维素与纳孔石墨烯的复合使得透析袋兼具高抗菌性、稳定性和灵活性，同时孔径可控的纳孔石墨烯的引入还能改善透析袋对分子离子的渗透和选择性。结果表明，该透析袋对甲基橙和亚甲基蓝的分离因子高达到85.4，对钠离子和钾离子的分离因子最高达到2.53。因此，纳孔石墨烯透析袋在水处理、药物开发和生命透析等领域具有巨大的应用潜力。 3. 开发了一种简单、快速、高效的非金属元素掺杂纳孔石墨烯的多重限域燃烧合成方法，制备了对稀土离子具有高分离选择性的氮掺杂纳孔石墨烯膜。首先，在吸附了苯丙氨酸的多层氧化石墨烯膜的二维层间限域生长出层状锌-类水滑石，从而构建类水滑石/苯丙氨酸/氧化石墨烯三明治型复合材料。锌-类水滑石层间可以作为密闭的二维空间纳米反应器，经过二维空间限域燃烧过程，将苯丙氨酸中的氮原子掺入石墨烯晶格中。与此同时，多孔锌-类水滑石又可以作为模板，经过孔内面积限域燃烧，在氧化石墨烯上蚀刻出纳米孔。随后，将获得的孔径和氮含量可调的平面氮掺杂纳孔石墨烯制备成膜，研究其对稀土离子的分离性能，结果显示最高分离因子达到3.7。计算机模拟研究表明，氮掺杂纳孔石墨烯膜对稀土离子的选择性主要源于其结构中的平面吡咯氮原子。该发现不仅为制备杂原子掺杂的纳孔石墨烯材料开辟了新的途径，而且为高选择性膜分离稀土离子提供了新思路。 4. 本工作通过混合抽滤的方法，将金属硝酸盐溶液充满氧化石墨烯层间，再通过燃烧去除氧化石墨烯，在氧化石墨烯层间的二维空间中快速合成出二维金属纳米材料。基于实验和理论计算可以发现，金属硝酸盐可以在氧化石墨烯层间限域形成二维的类水滑石结构。燃烧过程中，这些类水滑石首先热解成小尺寸的纳米粒子，根据金属元素性质的不同，不仅可以生长成二维（2D）纳米片，也可以自组装成三维（3D）空心纳米球。因此，本工作报道了一种快速、简单、低成本且可扩展的二维材料的制备方法。利用这种二维层间限域燃烧策略，可以合理的设计和合成出多种具有特种功能的多组分贵金属-类金属材料。 |
| Other Abstract | 无 |
| Pages | 136 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29996 |
| Collection | 中科院西北特色植物资源化学重点实验室/甘肃省天然药物重点实验室 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 谭洪鑫. 纳孔石墨烯的可控合成及其膜分离应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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