石墨烯的功能化可以精確控制薄膜形成過程中的層間間距，從而提高石墨烯膜中放射性離子的分離效率。然而，石墨烯膜層間距對放射性離子分離的系統性影響仍未被探索。本研究旨在闡明功能化石墨烯膜的層間間距如何影響放射性離子的分離。利用聚偕胺肟(PAO)修飾氧化石墨烯，控制了石墨烯膜的層間距。實驗結果表明，調整層間距可以控制放射性離子的滲透通量(UO
22+ 1.01 × 10
−5 ~ 8.32 × 10
−5 mol/m
2·h, K
+穩定在3.60 × 10
−4 mol/m
2·h)，在層間距8.8 Å時，K
+/UO
22+的分離因子達到36.2。利用密度泛函理論和分子動力學模擬，研究發現有效分離主要由層間距和引入官能團的數量決定，這解釋了低層間距下目標離子異常高的滲透通量(4.3 Å)。這項研究加深了對納米空間中離子分離和通過石墨烯膜回收的層間間距的理解，為高性能納米膜材料的設計和合成提供了有價值的見解。
圖1. AO官能團與靶離子的相互作用機理。(a)每個水合離子的表面靜電電位大小(選擇等電子密度為0.0015 a.u的表面)。AVG表示水合離子的平均表面靜電勢，MAX為最大值，MIN為最小值。(b)理論配位模型:每個AO單元替代兩個水(以UO
22+為例;紅色代表氧原子;淺藍色代表鈾原子;白色代表氫原子;氮原子深藍色;碳原子為灰色)。(1)金屬離子，(2)水合金屬離子，(3)與AO配合的水合金屬離子。(c) AO官能團配位的各種離子勢能圖。它代表了各種離子從水合狀態到與AO完全配位的勢能變化。面板軸線上的刻度表示離子從水合態到AO配位的模型變化。式M(H
2O)
(k−2)(AO)
1(n−1)+中，M表示陽離子，(k−2)表示與陽離子配位的水分子數，n−1表示配位化合物的電荷。La
3+和Th
4+采用八坐標模型，其他離子采用六配位模型。
圖2. 功能化氧化石墨烯的制備及形貌研究。(a)功能膜制備示意圖;(b)原始GO的TEM圖像;
(c) GO@PAO-8的TEM圖像;(d) GO@PAO-8的SEM截面圖。
圖3. 功能膜性能測試結果。(a)每種離子在不同功能膜中的離子滲透通量。(b-f)各金屬離子的分離系數。特別是對于 Fe
3 + (b) ，La
3 + (c) ，Co
2 + (d) ，UO
22 + (e)和 Th
4 + (f)。(g)不同離子在不同功能膜上的相對分離系數，用與分離系數成正比的球體尺寸表示; 不同顏色表示不同的分離系數大于1。(h)不同程度功能化的 GO 粒度。(i)用于離子篩分的 h 型電解池的示意圖。
圖4. (a)原始氧化石墨烯膜表面的水接觸角。(b)原始氧化石墨烯膜表面形貌的SEM圖像。
(c) GO@PAO-8膜表面的水接觸角。(d) GO@PAO-8膜表面形貌的SEM圖像。
圖5.功能膜的組成。(a) PAO調節氧化石墨烯層間間距示意圖。(b)不同質量比PAO構建的GO@PAO功能膜的XRD圖譜。(c)不同質量比PAO構建的GO@PAO功能膜的拉曼光譜。(d)不同質量比PAO構建的GO@PAO功能膜的FT-IR光譜。(e) GO@PAO-8膜的N1s XPS光譜。
圖6.離子流體在納米通道中擴散的分子動力學模擬。從左到右依次為原氧化石墨烯、低氧化石墨烯和高氧化石墨烯。在此模擬中，層間間距設置為9 Å。(a)離子溶液在原氧化石墨烯二維納米通道中的擴散模型;(b)低AO含量氧化石墨烯修飾的二維納米通道;(c)高AO含量氧化石墨烯修飾的二維納米通道。(d-f)氧化石墨烯、低AO含量氧化石墨烯和高AO含量氧化石墨烯的二維納米通道中K
+的平衡密度分布(x, y)。(g-i)氧化石墨烯、低AO含量氧化石墨烯和高AO含量氧化石墨烯的二維納米通道中UO22+的平衡密度分布(x, y)。(d-f面板下的色階表示K
+的密度分布;g-i以下的色階表示UO
22+的密度分布。二維密度分布圖僅顯示主比例尺的密度等高線)。
圖7.納米通道中異常擴散現象的機理。(a-c)錨定在GO納米通道上AO O原子周圍的UO
22+和K
+徑向分布函數。(a)低AO含量氧化石墨烯納米通道(9 Å)下O原子周圍各種離子的徑向分布函數;(b)高AO含量氧化石墨烯納米通道(9 Å)下O原子周圍各種離子的徑向分布函數;(c)在高空間位阻下，高AO含量較小氧化石墨烯納米通道(5 Å)下，O原子周圍各種離子的徑向分布函數。插入a-c的圖顯示了AO錨上O原子周圍各種離子的徑向分布函數g(r)的積分，表示了O原子周圍各種離子的配位數。(d - f) AO官能團與離子在不同層間距下的相互作用示意圖:高層間距(d)和低層間距(f)。
相關研究成果由上海大學Xu Gang和Ma Hongjuan課題組2024年發表在Journal of Hazardous Materials (鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134795)上。原文：Revealing the role of interlayer spacing in radioactive-ion sieving of functionalized graphene membranes
轉自《石墨烯研究》公眾號
