文 献 综 述

1.前言

CO₂为主的温室气体引发的温室效应是当今人类面临的重大问题，给全球带来了众多危害，如气候变化异常、冰川冻土消融及海平面上升等问题，已经严重威胁到了地球生命的生存^[1]。为了减轻温室效应的影响，对CO₂进行减排已经刻不容缓。因此，研究如何实现CO₂的稳定、高效分离回收，具有极其重要的意义。

在过去几年里，气体膜分离技术愈发被工业界接受，并且在市场上与变压吸附、低温蒸馏等传统操作形成竞争。膜法的主要特点是无相变，能耗低，装置规模根据处理量的要求调整，而且设备简单，操作方便，运行可靠性高^[2]。膜操作的组装特性本身就适合于过程强化，正如现在膜技术代表着水处理的主要技术一样，这种多功能性可能是推动膜过程在气体分离领域发展的决定性因素^[3]。因此，膜分离技术在分离和捕集CO₂领域具有很大的潜力。

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图1#160; 石墨材料家族关系^[4]

石墨烯是一种在平面上紧密排布形成二维蜂巢晶格的单层碳原子，并且是其它维度石墨材料的基本构成单元（如图1所示），不仅可以被包成零维富勒烯、卷成一维碳纳米管，还能堆叠成三维石墨^[4]。正是因为其独特的单原子层结构，石墨烯不仅具有极高的理论比表面积（2630 m²/g）和光学透射比（~97.7%），更展现很多出色的性能，如电学性能（本征迁移率高达200 000 cm²v^-1s^-1）、力学性能（杨氏模量约1.0 TPa）以及导热性能（导热系数约5000 Wm^-1K^-1）^{[5, 6]}。因此，石墨烯在场效应晶体管、生物传感器、透明导电薄膜、锂离子电池、超级电容器等领域具有极大的应用潜力。

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种衍生物，它具有化学性质活泼的含氧官能团，如羧基出现在氧化石墨烯片层的边缘，而环氧基和羟基则分布在片层的基面上（如图2所示），使得氧化石墨烯具有优异的亲水性、分散性（在水等极性溶剂中）以及与聚合物的兼容性。同时，这些活性基团为氧化石墨烯提供位点以实现功能化的化学改性^[7]。更重要的是，文献中报道氧化石墨烯的组装结构为传输小分子提供快速、选择性的二维纳米通道，可以应用于水的净化、有机溶剂脱水过程^[6]。此外，通过合理控制氧化石墨烯片层堆叠结构，氧化石墨烯膜还展现出气体分离特性，因为其层间距和平面孔可以实现有效的气体筛分，特别是对于CO₂有着较强的亲和力，所以在CO₂气体分离过程中具有独特的优势，为CO₂的高效捕集提供了新的思路。

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图2#160; 氧化石墨烯结构模型^[7]