[发明专利]一种全碳复合膜的制备方法及其产品

说明书

本发明属于复合膜制备领域，并公开了一种全碳复合膜的制备方法。本方法首先以石墨为原料，采用改进的Hummers法可调控的合成氧化石墨烯，含氧官能团丰富的氧化石墨烯在水溶液中能有效分散碳纳米管，形成稳定的氧化石墨烯/碳纳米管分散液；随后通过一步依次真空抽滤碳纳米管分散液和氧化石墨烯/碳纳米管分散液的方法成膜；最后在还原气氛中热处理得到全碳复合膜。本发明还公开了该制备方法获得的产品和该产品的应用。本发明中制备工艺参数可控性强，操作简单易行，获得的全碳复合膜结构完整，且膜基底层与阻挡层之间结合力强，对染料有良好的分离效果，可高效截留水中的染料，在分离染料方面有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于复合膜制备领域，更具体地，涉及一种全碳复合膜的制备方法及其产品。

背景技术

膜按其结构可以分为各向同性膜和各向异性膜，各向异性膜中有一类复合膜，其主要由两部分组成——阻挡层与基底层。其中，阻挡层是一层较薄的膜，厚度为微/纳米级别，膜的分离效果基本上由阻挡层决定；而基底层主要起到机械支撑的作用，它主要由一些高分子类材料制得。

碳材料分离膜具有容易调控孔径与形貌、寿命较长、过滤时形变小、耐高温、耐化学腐蚀性强和吸附性强等特点，近年来受到越来越多的关注。碳纳米管与石墨烯作为两种典型的碳纳米材料，因“纳米”效应带来的优异性能近年来成为膜制备及应用研究的热门材料。碳纳米管在诸如水等极性溶剂中的分散性不理想。通过Hummers法合成的氧化石墨烯因其边缘有大量的含氧官能团而具有亲水性，氧化石墨烯片的中间是大量六元芳香环结构，这种结构能够与碳纳米管通过π-π堆积作用相结合，因此氧化石墨烯在分散碳纳米管中可以起到类似表面活性剂的作用，从而获得稳定的氧化石墨烯/碳纳米管分散液。稳定的氧化石墨烯/碳纳米管分散液的获得不但保证了真空抽滤制膜工艺的稳定及膜结构的质量，而且成功避免了不必要杂质的引入，确保得到的是全碳膜。

通过Hummers法合成的氧化石墨烯有大量的含氧官能团，其片层间距较大，为了更好地应用于分离膜，常常需要经过还原处理。常用的还原方法有还原剂还原法和热还原法等。采用还原剂法还原氧化石墨烯时，例如使用抗坏血酸还原氧化石墨烯，抗坏血酸在起到还原剂作用后很难被清除出膜层，杂质的存在势必会影响所制备膜的结构，进而影响其分离性能；热还原法不仅能够避免杂质的引入，而且通过调节温度和气氛等参数能够有效地调整氧化石墨烯的还原程度，达到调整膜分离性能的目的。对于复合膜而言，传统的基底层材料多使用高分子类材料，例如在聚偏氟乙烯基底上制备石墨烯/碳纳米管纳滤膜，然而高分子类材料一般耐高温性能较差，并不能承受氧化石墨烯还原时所需的温度。陶瓷和金属类的基底材料虽然有一定的耐高温性能，但它们与碳材料的结合效果不理想，不能有效地形成复合结构。

发明内容

针对现有技术的以上缺点或改进需求，本发明提供了一种全碳复合膜的制备方法及其产品，通过真空抽滤结合热还原的方法，构建以碳纳米管作为基底层以及石墨烯/碳纳米管作为阻挡层的全碳复合膜结构。一步依次抽滤工艺使得成膜材料碳纳米管和氧化石墨烯/碳纳米管能均匀地相互堆垛确保成膜质量，被热还原后碳纳米材料间存在的范德华力进一步确保了其结构的紧密结合，由此解决了膜层间结合差的问题。由于制膜材料仅有碳材料，因此其相较于常见含高分子类复合膜具有较好的耐高温性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全碳复合膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：

(a)选取碳纳米管作为原材料，并将该碳纳米管分为两部分，将一部分碳纳米管置于分散剂中并进行超声处理，以此获得碳纳米管分散液；

(b)合成氧化石墨烯，并将其分散在水中获得氧化石墨烯分散液，将步骤(a)中的另外一部分碳纳米管加入所述氧化石墨烯分散液中，并进行超声处理，以此获得氧化石墨烯/碳纳米管分散液；