北京大学刘开辉教授团队AFM：突破耐高压瓶颈！氧化石墨烯与碳纳米管复合膜助力高效纳滤技术

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【图文解析】

纯GO膜（图1a,c）由纳米片堆叠组装而成，高压下（>20 bar）结构易坍塌（SEM显示明显裂纹）。通过增加CNT网络层，可以为GO层提供纳米级网格支撑层（图1b,d），显著降低GO膜层的自支撑直径，分散局部应力。压力-通量曲线（图1e）显示，纯GO膜最大耐压（ P _m ）在20 bar，而GO/CNT膜的耐压提升至60 bar。尽管CNT的引入会略微降低渗透率，但耐压的大幅提升可以使最大通量（Flux _m ）得到有效提升。

图1. 高压下GO与GO/CNT膜的结构与性能优化设计

GO膜层与CNT网络层组装良好（图2a，c），且CNT负载在PES基底上形成致密网络（图2b），将基底平均孔径从310 nm缩小至5 nm（图2e），限制了GO膜层的自支撑即自由变形区域。XRD分析（图2d）表明，GO膜层具有良好的层间结构，层间距控制在（0.80-0.83 nm），确保了水分子渗透通过而更大的染料等分子可以被截留。 为定量评估复合膜的力学特性， 搭 建了专用的 膜 强度测试装置（图2f），将不含 PES 基底的GO及GO/CNT 悬空 膜通过精密力传感 探头 对自支撑区域施加垂直压力直至膜破裂，从而记录获得力-位移曲线，其中最大耐受载荷定义为 F _m ，对应的位移为 D _m 。该结果证实复合膜的 F _m 实现了120%-130%的显著提升 （图2g） ，表明GO/CNT复合膜具有优异的机械强度，这一特性为其在高压力驱动的膜分离技术中的应用奠定了重要基础。

图2. GO/CNT膜的物理特性与力学增强效果

为模拟工业应用环境，采用错流测试系统进行纳滤性能实验（图 3a ）。测试过程中压力（ P ）由 0 bar 逐步提升至 62 bar 。膜破损时水通量骤增而污染物截留率显著降低，因此定义了膜不发生破损的最大压力为耐压值（ P _m ）。通过玫瑰红（RB，1018 Da）染料评估了 GO

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