[发明专利]基于石墨烯的过滤器

说明书

背景技术

很多工业和应用(例如水净化、化学合成、药物纯化、炼制、天然气分离和很多其他应用)都依赖于耗能的膜分离作为其工艺的主要组成部分。对液相和气相膜均具有高选择性和通量的膜需求在过去的几十年里已经使基于陶瓷和聚合物的膜有了很多改进。主要挑战之一是在保持高选择性的同时使通量最大化。典型地，提高通量率需要降低选择性。尽管几十年的研究使得开发了聚合或陶瓷膜，但在膜技术中进一步的进展很可能将依赖于能提供更好传输性质的新型膜材料。

发明概述

本发明人已经认识到提供包括能够结合到多孔基底的一个或多个石墨烯或氧化石墨烯的活性层的过滤膜的优点。活性层可以位于彼此之上，以使基底的未覆盖面积最小化，且也可以有利地通过覆盖其他活性层而减少它们中存在的缺损。过滤性质可以由活性层中存在的孔提供。进一步地，可以对多孔基底的流动阻力进行选择，以将通过石墨烯层中缺损的渗漏限制到通过石墨烯层的流动的预定部分。

在一个实施方案中，过滤膜可以包括多孔基底和位于该多孔基底上的至少一个活性层。该至少一个活性层可以包括孔。进一步地，该多孔基底的流动阻力可以小于该至少一个活性层的流动阻力的约十倍。

在另一实施方案中，过滤膜可以包括多孔基底和位于该多孔基底上的至少一个活性层。该至少一个活性层可以包括孔，且可以包含石墨烯和氧化石墨烯中的至少一种。进一步地，该多孔基底的流动阻力可以小于该至少一个活性层的流动阻力的约十倍。

在又一实施方案中，过滤膜可以包括多孔基底和位于该多孔基底上的第一活性层。第二活性层可以位于第一活性层上。在第一和第二活性层中可以形成多个孔，该多个孔可以贯通第一活性层和第二活性层。

在另一实施方案中，过滤膜可以包括多孔基底和位于该多孔基底上的第一活性层。第一活性层可以包含石墨烯和氧化石墨烯中的至少一种。第二活性层可以位于第一活性层上，且可以包含石墨烯和氧化石墨烯中的至少一种。在第一和第二活性层中可以形成多个孔，该多个孔可以贯通第一活性层和第二活性层。

在又一实施方案中，用于制备过滤膜的方法可以包括：提供第一活性层；在第一活性层中形成缺损；和选择性蚀刻该缺损以在第一活性层中形成选定尺寸的孔。

在另一实施方案中，用于制备过滤膜的方法可以包括：提供包含石墨烯和氧化石墨烯中至少一种的第一活性层；在第一活性层中形成缺损；和选择性蚀刻该缺损以在第一活性层中形成选定尺寸的孔。

在又一实施方案中，过滤膜包括包含石墨烯或氧化石墨烯的活性层，其具有大于约10^-6mol/m²-s-Pa的H₂渗透率。

在另一实施方案中，过滤方法可以包括：提供活性层；提供一定浓度的阻塞分子；和改变阻塞分子的浓度以改变活性层的渗透率。

应当而认识到，前述概念和下面讨论的其他概念可以以任意适合的组合排列，因为本发明在这方面没有限制。此外，从以下结合附图的描述，本发明前述的和其他的方面、实施方案和特征能够得到更充分的理解。

附图简述

附图并不意在按尺寸绘制。在附图中，在多幅附图中描绘的各相同的或近似相同的组件可能用类似的编号表示。为清楚起见，在每幅附图中可以不标出每个组件。在附图中：

图1是复合石墨烯过滤膜的示意图；

图2描绘了聚碳酸酯径迹蚀刻膜转移工序的代表性的流程图；

图3A是在具有0.2μm孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜上的双层石墨烯的示例性SEM图像；

图3B是在第一石墨烯层中具有被第二层覆盖的裂缝的双层石墨烯的SEM图像；

图3C是在一个石墨烯层中被另一石墨烯层覆盖的固有小孔的STEM图像；

图3D是包括位于多孔聚碳酸酯支撑体上的一层化学气相沉积石墨烯的石墨烯膜的照片；

图3E是包括各自在多孔聚碳酸酯支撑体上的堆叠的三个单独的化学气相沉积石墨烯层的石墨烯膜的照片；

图4A是对于流过具有1.0μm孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜上的多个石墨烯层，下游储槽中测得的氮气压力升高的图表；

图4B是对于流过具有1.0μm孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜上的多个石墨烯层，下游储槽中测得的氮气压力升高的图表；

图4C是与具有0.2μm孔的裸露聚碳酸酯径迹蚀刻膜相比，对于通过聚碳酸酯径迹蚀刻膜上的单石墨烯层的Allura Red AC压力驱动对流，流路池的下游腔中吸收率随时间升高的图表；