Sunlight-assisted tailoring of surface nanostructures on single-layer graphene nanosheets for highly efficient cation capture and high-flux desalination

利用陽光輔助裁剪單層石墨烯納米片表面納米結構，實現高效陽離子捕獲和高通量脫鹽

來源：Carbon 161 (2020) 674e684

 

摘要核心發現

 

本研究通過陽光誘導石墨烯結構轉變，實現離子吸附與膜分離性能突破：

 

1.吸附提升：

 

7天模擬光照后，單層石墨烯（SLG-S?）對Na?、Pb2?、Fe3?吸附量分別提升86.1%、77.3%和46.1%（圖5a）；

 

2.膜性能優化：

 

SLG-S?膜水通量達167.1 LMH/bar（提升53.1%），同時維持高截留率（Pb2?去除率>99.8%）（圖6a,h）；

 

 

3.機制創新：

 

陽光觸發脫氧反應與缺陷生成，增強陽離子-π相互作用（圖5i-l）。

 

研究目的

 

1.破解材料瓶頸：

 

解決傳統石墨烯膜制備復雜、GO膜溶脹失穩問題（引言部分）；

2.開發綠色調控技術：

 

利用太陽能誘導石墨烯納米結構轉變，避免化學修飾污染；

3.實現高效水處理：

 

同步提升重金屬吸附與脫鹽性能，應對淡水資源短缺。

 

研究思路

1. 材料梯度設計

 

層數調控：

 

超聲-微波協同制備單層（SLG）、少層（FLG）、多層（TLG）石墨烯（圖1a-c）；

 

光照處理：

 

模擬日光（1 kW/m2）照射1-7天，獲得SLG-S?系列（x為光照天數）。

 

2. 結構-性能關聯

 

 

形貌分析：

 

AFM顯示SLG-S?尺寸從625nm碎片化為210nm，表面粗糙度增加50%（圖2d-f）；

 

化學表征：

 

XPS證實C/O比從7.11升至13.3，環氧基減少52%（圖2a-c）。

 

3. 應用驗證

 

吸附測試：

 

競爭性離子體系中量化Na?、Pb2?等10種離子吸附量（圖5a）；

 

膜分離評估：

 

死端過濾裝置測量水通量及離子截留率（圖6a,i）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 結構轉變數據

 

拉曼光譜（圖2g）：

 

I_D/I_G從0.34（SLG）升至0.88（SLG-S?），證實缺陷密度增加2.6倍，為離子提供更多吸附位點；

 

XRD分析：

 

層間距從0.34nm擴至0.37nm（SLG-S?-Pb2?），解釋Pb2?選擇性吸附機制。

 

2. 吸附性能數據

 

 

Pb2?吸附容量（圖5d）：

 

SLG-S?達663.7 mg/g（Langmuir模型），為原始SLG的2.3倍，超越碳納米管（450 mg/g）等材料；

 

動態吸附（圖5c）：

 

光照250分鐘后吸附量超熱對照組（52℃），證明光化學效應主導非單純熱效應。

 

3. 膜分離數據

 

 

水通量（圖6a）：

 

SLG-S?膜達167.1 LMH/bar，較GO膜（71 LMH/bar）提升135%，歸因于光照誘導的開放孔道（圖6e箭頭）；

 

離子截留（圖6i）：

 

低鹽度下（<20mM）對Ca2?截留率80%，證實靜電作用主導篩分機制。

 

丹麥Unisense電極的核心貢獻

技術功能

 

 

溶解氧（DO）原位監測：

 

采用Clark型微電極（5-10μm尖端）實時追蹤光照過程DO變化（實驗部分）；

 

光反應機制解析：

 

秒級分辨率捕捉DO動態：初期下降（電子消耗O?）→6小時升至8.5 mg/L（·O??生成）（圖4d）。

 

關鍵發現

 

1.自由基生成驗證：

 

DO谷值（t<60 min）對應·O??生成期（公式1），峰值對應H?O?分解（公式3），佐證ESR檢測結果（圖4a）；

2.反應動力學量化：

 

DO變化速率揭示光還原反應半衰期≈30 min，為工藝優化提供依據；

3.體系穩定性評估：

 

DO恢復至基線證實反應可逆性，排除永久性氧化損傷。

 

不可替代性

 

傳統方法局限：

 

離線DO檢測無法捕捉瞬態自由基反應（如·O??半衰期<1s）；

 

Unisense優勢：

 

微米級空間分辨率+秒級時間分辨率，精準解析石墨烯-溶液界面光化學反應動力學。

 

結論

 

1.材料機制：

 

陽光觸發脫氧（C/O比↑）與缺陷生成（I_D/I_G↑），增強陽離子-π相互作用（DFT計算結合能5-20 eV）；

2.性能突破：

 

SLG-S?吸附容量提升2.3倍，膜水通量提升53.1%，且抗溶脹（3M HCl/NaOH處理無損）；

3.應用前景：

 

陽光預處理石墨烯膜為綠色、低能耗水處理提供新路徑。

 

Unisense技術價值：其微界面DO動態監測能力是揭示石墨烯光化學反應機制的關鍵工具，為材料環境行為研究提供方法論范式。

 

圖示關聯：

 

 

圖1：石墨烯制備流程

 

圖2：SLG光照前后結構對比（XPS/AFM/Raman）

 

圖4d：Unisense DO監測曲線

 

圖5：離子吸附性能

 

圖6：膜分離性能與結構