Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 468–474
Ageing of graphene oxide thin films: the dynamics of gas and water vapors permeability in time
Ekaterina A. Chernova – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; chernova.msu@gmail.com
Konstantin E. Gurianov – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; gurianovke@yandex.ru
Mikhail V. Berekchiian – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; mikhail.berekchiyan@yandex.ru
Victor A. Brotsman – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry, Moscow, Russia; brotsman_va@mail.ru
Rishat G. Valeev – Udmurt Federal Research Center of the Ural Brunch of Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia; rishatvaleev@mail.ru
Olesya O. Kapitanova – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry, Moscow, Russia; olesya.kapitanova@gmail.com
Alina V. Kirianova – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; vov-lena2010@yandex.ru
Alexey V. Lukashin – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; alexey.lukashin@gmail.com
Corresponding author: Ekaterina A. Chernova, chernova.msu@gmail.com
DOI 10.17586/2220-8054-2022-13-4-468-474
PACS 81.05.Rm, 47.56.+r
ABSTRACT Composite membranes are formed based on ultrathin 20 nm-thick selective layers of graphene oxide nanoflakes deposited on porous anodic alumina substrates. The long-term dynamics of permanent gases transport and water vapor permeability across the composite membranes is measured during 240 days (8 months). It is revealed that the permeability towards permanent gases remains nearly constant during a prolonged period of time. Contrary, water vapor flux decreases rapidly within the first 30 days from the membrane preparation moment and reaches about 80% of permeability loss during 8 months. The rapid decrease of membrane permeability during the first month could be attributed to a gradual packing of graphene oxide nanoflakes, particularly, locating in the surface sublayers, into more tight microstructure due to the evaporation of remaining solvent (membrane drying) under ambient conditions. Further decrease in permeability during more prolonged time could be caused additionally by deoxygenation of surface GO nanoflakes preventing water vapors diffusion into the GO film. This phenomenon, the so called “ageing” accompanies graphene oxide thin films similarly to some types of highly-permeable polymers. Holding the aged membrane under saturated
water vapors, and even liquid water, didn’t allow one to revitalize completely its permeability. The obtained results should be taken into account when designing membranes and other devices based on graphene oxide and its derivatives.
KEYWORDS graphene oxide nanoflakes, anodic alumina, membrane ageing, dehumidification, water vapor transport
ACKNOWLEDGEMENTS The work is supported by the Russian Science Foundation (project 22-23-00662 “Membranes for molecular filtration and membrane electrocatalysis based on reduced graphene oxide”).
FOR CITATION Chernova E.A., Gurianov K.E., Berekchiian M.V., Brotsman V.A., Valeev R.G., Kapitanova O.O., Kirianova A.V., Lukashin A.V. Ageing of graphene oxide thin films: the dynamics of gas and water vapors permeability in time. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 468–474.
[In Russian] Чернова Е.А., Гурьянов К.Е., Берекчиян М.В., Броцман В.А., Валеев Р.Г., Капитанова О.О., Кирьянова А.В., Лукашин А.В.
АННОТАЦИЯ В работе получены композиционные мембраны на основе тонких селективных слоев оксида графена толщиной 20 нм, осажденных на пористые подложки анодного оксида алюминия. Исследована долгосрочная динамика проницаемости постоянных газов и водяных паров на композиционных мембранах в течение 240 дней (8 месяцев). Установлено, что проницаемость по постоянным газам остается практически неизменной в течение длительного периода времени, в то время как проницаемость по водяным парам резко снижается в течение первых 30 дней с момента изготовления мембраны, а в течение 8 месяцев потеря проницаемости достигает около 80%. Быстрое снижение проницаемости композиционных мембран по водяным парам в течение первого месяца связано с постепенным уплотнением упаковки нанолистов оксида графена, особенно находящихся в приповерхностных слоях мембраны, за счет испарения оставшегося растворителя (высыхание мембраны) при хранении на воздухе. Дальнейшее снижение проницаемости водяных паров в течение более длительного времени вызвано деоксигенацией поверхностных нанолистов оксида графена, что существенно препятствует диффузии паров воды через селективный слой мембраны. Таким образом, снижение проницаемости по водяным парам во времени, так называемое «старение» мембраны, характерно для тонких пленок оксида графена, равно как и для некоторых типов высокопроницаемых полимеров. Выдерживание состарившейся мембраны оксида графена в атмосфере насыщенных водяных паров, а также в жидкой воде, не позволило полностью восстановить проницаемость мембраны. Полученные результаты необходимо учитывать при проектировании мембран и других устройств на основе оксида графена и его производных.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА нанолисты оксида графена, анодный оксид алюминия, старение мембраны, осушение, транспорт водяных паров.
