Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 272–278
Comparative study of transport properties of membranes based on graphene oxide prepared by Brodie and improved Hummers’ methods
Ekaterina A. Chernova – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow; Tula State University, Tula, Russia; chernova.msu@gmail.com
Konstantin E. Gurianov – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; gurianovke@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
Mikhail V. Berekchiian – Lomonosov Moscow State University, Faculty of Materials Science, Moscow, Russia; mikhail.berekchiyan@yandex.ru
Alexei 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
PACS 81.05.Rm, 47.56.+r
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-2-272-278
ABSTRACT A comparative study of transport characteristics of composite membranes based on graphene oxide prepared by Hummers’ (H-GO) and Brodie (B-GO) methods is presented. By using Raman and XPS spectroscopy combined with gas and vapor measurements at non-zero pressure drop, it is shown that the difference in preparation methods results not only in different composition and microstructure of the membranes, but also in different water vapor permeability and resistance towards pressure drops during membrane performance. The H-GO samples are found to be more defective and stronger oxidized with C/O ratio of 1.8, whereas B-GO revealed a total C/O ratio of 2.6 with more perfect microstructure. The higher oxidation degree of H-GO membranes allows one to achieve higher water vapor permeability (up to 170 Barrer at 100 % humidity) but dramatically lower stability towards pressure revealing the irreversible loss in permeability up to 46 % during the application of pressure drop of 1 bar. In contrast, B-GO membranes show slightly lower permeability (~140 Barrer at 100 % humidity) but enhanced pressure stability revealing the irreversible permeability loss of only 4 % at pressure drop of 1 bar which is about 10-fold smaller compared to H-GO stability. This could be explained by the difference in microstructural features of the H-GO and B-GO. Graphene oxide prepared by Hummer’s method has more flexible and defective nanosheets, whereas Brodie’s method gives rise to more rigid nanosheets with more perfect microstructure. The obtained results suggest that it is possible to prepare graphene oxide membranes with high resistance towards pressure using only the composition-microstructure
interplay without additional modification with pressure-stabilizing agents.
KEYWORDS graphene oxide membranes, Hummers’ method, Brodie method, oxidation degree, pressure stability, water vapor permeability
ACKNOWLEDGEMENTS The work is supported by the state program of world-class scientific and educational centers (assignment number FEWG-2021-0014) for the youth laboratory on the research direction “Studying gas permeability and physicochemical properties of sealing composite and carbon materials”. The authors are grateful to Dr. Andrei Eliseev and his laboratory (Lomonosov Moscow State University) for help with experimental studies. The authors acknowledge shared services center “Surface and novel materials” of UdmFRC of UB RAS for XPS data acquisition.
FOR CITATION Chernova E.A., Gurianov K.E., Brotsman V.A., Valeev R.G., Kapitanova O.O., Berekchiian M.V., Lukashin A.V. Comparative study of transport properties of membranes based on graphene oxide prepared by Brodie and improved Hummers’ methods. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 272–278.
[In Russian] Е.А. Чернова, К.Е. Гурьянов, В.А. Броцман, Р.Г. Валеев, О.О. Капитанова, М.В.Берекчиян, А.В. Лукашин
Сравнительное исследование транспортных свойств мембран на основе оксида графена, полученных методом Броди и усовершенствованным методом Хаммерса
АННОТАЦИЯ В работе представлено сравнительное исследование свойств композиционных мембран на основе оксида графена, синтезированного методами Хаммерса (оксид графена H-GO) и Броди (оксид графена B-GO). Методами КР- и РФЭС- спектроскопии в комплексе с измерениями проницаемости мембран по газам и водяным парам при ненулевом перепаде давления показано, что различия в методах синтеза влияют не только на состав и микроструктуру мембран оксида графена, но также на их проницаемость и устойчивость к перепадам давления. Показано, что мембраны на основе H-GO содержат больше кислородных групп (соотношение С/О 1.8) и являются более дефектными, по сравнению с мембранами на основе B-GO (С/О 2.6). Более высокая концентрация кислородных групп в мембранах H-GO позволяет достичь высоких проницаемостей по водяным парам (~170 Баррер при 100% влажности сырьевого потока), однако это сопровождается достаточно низкой устойчивостью при перепадах давления (необратимая потеря проницаемости вплоть до 46% при перепаде давления 1 бар). Напротив, мембраны на основе B-GO, при проницаемости ~140 Баррер, характеризуются необратимой потерей проницаемости всего 4% при том же перепаде давления, что в 10 раз меньше по сравнению с мембранами H-GO. Наблюдаемые различия могут быть следствием разной микроструктуры мембран H-GO и B-GO. Оксид графена, синтезированный методом Хаммерса, обладает более гибкими и дефектными нанолистами, в то время как метод Броди позволяет получить более жесткие нанолисты с меньшим содержанием дефектов. Полученные результаты свидетельствуют, что повысить устойчивость мембран оксида графена к перепадам давления можно за счет контроля состава и микроструктуры в процессе синтеза, без каких-либо модификаций реагентами, устойчивыми к давлению.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА мембраны из оксида графена, метод Хаммерса, метод Броди, степень окисления, устойчивость к давлению, паропроницаемость.
