一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及气体分离膜技术领域，本发明专利技术提供了一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜及其制备方法和应用。将氧化石墨烯的乙醇分散液过滤至玻璃纤维微孔滤膜表面，干燥后得到氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；将氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜进行热处理，得到部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；本发明专利技术原材料利用率高，制膜工艺简单，制备得到的膜均匀、有序堆积；本发明专利技术通过部分还原策略，充分发挥了层间通道尺寸筛分和官能团相互作用的协同效应，大幅提高了部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的H2/CO2选择性；应用于气体分离测试后，H2通量可达730GPU，H2/CO2分离选择性高达4413。分离选择性高达4413。分离选择性高达4413。

【技术实现步骤摘要】
一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气体分离膜
，尤其涉及一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，因具有独特的二维片层结构、良好的机械性能、优异的化学稳定性和成熟的生产工艺而被认为是极具前景的小分子气体分离膜材料。对于超薄GO膜而言，H2/CO2分子筛分效应主要基于GO纳米片面内结构缺陷提供的孔径大小选择机制。例如，Li等(Science，2013，342：95
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98.)通过将单层GO纳米薄片真空过滤到阳极氧化铝(AAO)底基上来制造超薄GO膜，通过GO的选择性面内缺陷，所制备的厚度为9nm的超薄GO膜具有高达3400的H2/CO2分离选择性，而H2渗透通量为341气体渗透单位(GPU)。尽管如此，单层GO纳米薄片的预纯化和昂贵的AAO等无机多孔底基的选用使得超薄GO膜制备工艺复杂、制造成本高而不适合于工业化应用。这实际上也是支撑型GO膜在实际应用中面临的普遍性问题。
[0003]对于具有堆叠纳米片结构的层状GO膜，H2/CO2气体分离机理主要取决于GO纳米片层间二维通道的尺寸筛分效应以及CO2分子与GO表面含氧官能团的相互作用。然而，典型GO纳米片之间的自由空间高度(即层间通道尺寸，h)为(ACS Nano，2016，10，3398
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3409.)，大于H2和CO2的分子动力学直径。显然，过大的原始GO层间通道尺寸不利于从H2/CO2混合气体中严格筛分H2。即使在官能团相互作用的协同效应下，现有技术制备的层状GO膜的H2/CO2选择性也只能达到数百。例如，Chi等(Chemistry ofMaterials，2016，28，2921
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2927.)制备的具有均匀GO纳米片堆叠结构的旋涂GO膜的H2/CO2选择性仅为240。因此，迫切需要开发简单有效的方法来缩小GO层间通道尺寸，同时尽可能保留含氧官能团以提高层状GO膜的H2/CO2选择性。
[0004]近年来，部分还原GO膜在分子分离领域逐渐引起关注。例如，Qi等(Nature Communications，2017，8，825.)通过电泳沉积(ED)法在多孔不锈钢中空纤维(PSSSHF)上制备了电化学还原的GO膜。轻度还原的ED
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GO@PSSSHF膜(h：)表现出理想的C2H4/C3H8选择性(551)，而深度还原的ED
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GO层(h：)显示出氢气纯化的潜力。该研究为设计用于严格筛分H2/CO2混合物的GO膜提供了一种有希望的策略，但电泳沉积方法只能用于昂贵的导电多孔基底。因此设计一种简单、有效且低成本的方法制备部分还原GO膜用于高效H2/CO2分离，对于工业H2纯化和CO2捕集利用等工业过程具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜及其制备方法和应用。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的制备方法，包含下列步骤：
[0008](1)将氧化石墨烯的乙醇分散液过滤至玻璃纤维微孔滤膜表面，干燥后得到氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；
[0009](2)将氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜进行热处理，得到所述的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜。
[0010]作为优选，步骤(1)所述玻璃纤维微孔滤膜的孔径为0.20～0.24μm。
[0011]作为优选，步骤(1)所述氧化石墨烯的乙醇分散液的浓度为0.02～0.04mg/mL。
[0012]作为优选，步骤(1)所述玻璃纤维微孔滤膜与氧化石墨烯的乙醇分散液的直径体积比为2.3～2.7cm：10～50mL。
[0013]作为优选，步骤(1)所述干燥的温度为60～80℃，所述干燥的时间为12～24h。
[0014]作为优选，步骤(2)所述热处理的气氛为空气、氮气或真空中的一种。
[0015]作为优选，步骤(2)所述热处理的温度为100～180℃。
[0016]作为优选，步骤(2)所述热处理的时间为2～8h。
[0017]本专利技术还提供了所述制备方法得到的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜。
[0018]本专利技术还提供了所述部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜在气体分离中的应用。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020](1)本专利技术提供了一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的制备方法，将氧化石墨烯的乙醇分散液过滤至玻璃纤维微孔滤膜表面，干燥后得到氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；将氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜进行热处理，得到部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；在过滤过程中使用的锥形真空过滤漏斗可沿水平方向提供向心力，沿垂直方向提供压缩力，外力的协同作用可抑制氧化石墨烯纳米片之间排斥相互作用的负面影响，有利于制备均匀、有序堆积的氧化石墨烯膜；
[0021](2)本专利技术提供的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜，采用商业化超低成本玻璃纤维微孔滤膜作为多孔基底，大幅降低了底基成本；此外，玻璃纤维表面富含硅羟基等含氧基团，可以与氧化石墨烯表面丰富的含氧基团形成氢键等相互作用，提高氧化石墨烯膜在底基上的附着力；
[0022](3)本专利技术提供的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜，直接使用商业氧化石墨烯的乙醇分散液，而不是预纯化单层氧化石墨烯纳米片，提高了原材料的利用率，简化了制膜工艺；
[0023](4)本专利技术通过部分还原策略，在精确缩小氧化石墨烯纳米片层间通道尺寸的同时，最大限度地保留了氧化石墨烯表面的含氧官能团，充分发挥了层间通道尺寸筛分和官能团相互作用的协同效应，大幅提高了部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的H2/CO2选择性；应用于气体分离测试后，H2通量可达730GPU，H2/CO2分离选择性高达4413。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备的GO/GF复合膜的扫描电子显微镜表征图；
[0025]图2为实施例1制备的GO/GF复合膜和p
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rGO/GF复合膜的X射线衍射图谱；
[0026]图3为实施例2制备的GO/GF复合膜的扫描电子显微镜表征图；
[0027]图4为实施例2制备的GO/GF复合膜和p
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rGO/GF复合膜的X射线衍射图谱。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的制备方法，包含下列步骤：
[0029](1)将氧化石墨烯的乙醇分散液过滤至玻璃纤维微孔滤膜表面，干燥后得到氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；
[0030](2)将氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜进行热处理，得到所述的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜。
[0031]在本专利技术中，步骤(1)所述玻璃纤维微孔滤膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：(1)将氧化石墨烯的乙醇分散液过滤至玻璃纤维微孔滤膜表面，干燥后得到氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜；(2)将氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜进行热处理，得到所述的部分还原氧化石墨烯/玻璃纤维复合膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述玻璃纤维微孔滤膜的孔径为0.20～0.24μm。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化石墨烯的乙醇分散液的浓度为0.02～0.04mg/mL。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述玻璃纤维微孔滤膜与氧化石墨烯的乙醇分散液的直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：王政，张轩，刘彤，耿丹阳，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：