超薄还原氧化石墨烯中空纤维膜：定制石墨域提升有机溶剂纳滤性能

针对氧化石墨烯（GO）膜在有机溶剂中溶胀失稳的瓶颈问题，本研究通过绿色水热还原技术制备超薄还原氧化石墨烯（rGO）中空纤维膜。通过调控还原温度与时间优化石墨域结构，实现亚50 nm厚度的均质涂层，在甲醇中渗透率达4 L·m?2·h?1·bar?1，赤藓红B（EB, 634 g·mol?1）截留率93.5%，分子量截留（MWCO）约570，显著优于GO膜。该工作为工业溶剂高效纯化提供了无化学试剂、可规模化的膜制备新策略。

　　

论文解读

在化工与制药领域，有机溶剂的回收与纯化依赖高能耗蒸馏技术，而有机溶剂纳滤（OSN）膜技术因节能潜力备受关注。然而，主流聚合物膜面临渗透率与截留率的权衡难题，且在溶剂中化学稳定性不足。氧化石墨烯（GO）膜虽具原子级厚度优势，却因含氧官能团引发严重溶胀，导致结构失稳和截留性能衰减。传统化学还原法（如肼处理）虽可提升稳定性，但毒性试剂和纳米片褶皱缺陷制约实际应用。因此，开发绿色、可规模化制备的稳定rGO膜成为关键挑战。

帝国理工学院（Imperial College London）研究人员提出无化学试剂的水热还原法，通过调控还原时间（3-9小时）与温度（100℃）精准优化rGO石墨域结构，结合真空过滤技术制备超薄中空纤维（HF）膜。关键技术包括：水热还原合成rGO纳米片、中空纤维基底真空涂覆、扫描电镜（SEM）与X射线光电子能谱（XPS）表征膜结构、X射线衍射（XRD）分析层间距，以及定制死端过滤系统评估溶剂渗透率与染料截留性能。

结构分析揭示还原机制

SEM显示rGO膜形成均匀层状结构，厚度可低至18纳米（涂覆5秒）。XRD证实还原后层间距从GO的7.96 ?收缩至7.13 ?（9小时还原），归因于羟基移除（图4）。XPS C1s谱（图5）进一步揭示：还原过程以羟基（C—OH）转化为碳碳单键（C—C）为主导，C/O比从GO的2.31提升至rGO(9h)的3.95，表明部分还原特性。这种结构演变源于GO在水相中的动态特性，水热条件加速羟基脱除与石墨域重组。

性能突破与溶胀抑制

OSN测试中（图6），rGO膜甲醇渗透率达4 LMH·bar^?1，EB截留率93.5%，MWCO约570。关键突破在于稳定性：GO膜25小时内因溶胀导致截留崩溃，而rGO膜在10 bar压力下保持性能恒定。对比实验发现，多孔rGO（rPGO）虽提升渗透率，但因基底面孔隙破坏尺寸筛分能力，EB截留率骤降（图7a），证实低缺陷密度石墨域是稳定筛分的基础。

溶剂传输机制

渗透率与溶剂粘度呈强负相关（图7b）：己烷（粘度0.3 mPa·s）渗透率最高，水（0.89 mPa·s）最低。线性关系表明溶剂在rGO纳米毛细管中的传输受粘度主导，表面张力与极性协同影响润湿性。例如己烷的低表面张力（17.9 mN·m^?1）促进其进入层间通道。

结论与意义

本研究通过绿色水热还原技术实现rGO中空纤维膜的可控制备，石墨域优化使膜兼具高截留率（MWCO ~570）和抗溶胀稳定性。溶剂传输受粘度主导的机制为膜设计提供理论依据。该工作不仅为解决GO膜溶胀难题提供新路径，更推动无化学还原剂、可规模化的OSN膜技术发展，有望应用于制药、化工等高附加值溶剂回收。论文发表于《Separation and Purification Technology》。