NSR|超薄層狀石墨烯分離膜：實現水分子快速傳輸和離子高效分離

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原子薄層二維材料具有優異的物理、化學穩定性，是構築高效能分離膜的理想單元，在海水淡化領域具有重要應用前景。奈米多孔的二維材料分離膜主要包括兩種結構：一種結構是在原子薄層二維材料內部引入奈米孔得到的單原子層奈米多孔分離膜，分子/離子在分離膜內部的選擇性分離主要依賴於二維材料內部形成的一維傳輸通道；一種是透過將原子薄層二維奈米片進行堆疊形成的層狀結構分離膜，分子/離子在這種結構內部的傳輸主要透過奈米片層之間形成的二維傳輸通道。然而，奈米多孔的二維材料分離膜長期以來面臨難以平衡滲透率和選擇性的矛盾問題，極大地影響了分離效率。

分離的本質在於分子/離子與分離膜之間的相互作用。單原子層的奈米多孔二維材料分離膜由於其單原子層厚度的特徵，具有最小的分子/離子傳輸阻力。水分子/鹽離子與分離膜內部的一維奈米通道之間的相互作用時間短，水分子和鹽離子均會以較快的速度透過奈米通道。因此原子薄層的奈米多孔二維材料分離膜水滲透率較高，而離子選擇性低。由原子薄層二維材料堆疊形成的層狀結構分離膜具有較長和曲折的分子/離子傳輸路徑，增加水分子/鹽離子與二維奈米通道之間相互作用時間的同時，二維奈米通道內部豐富的含氧基團也增加了水分子/鹽離子與分離膜之間的相互作用力，提高了離子選擇性，但降低了水滲透率。

近日，《國家科學評論》（National Science Review）線上發表了武漢大學化學與分子科學學院袁荃教授和楊雁冰教授以及動力與機械學院劉抗教授在石墨烯分離膜領域的最新合作研究成果，論文題為“Fast water transport and ionic sieving in ultrathin stacked nanoporous two-dimensional membranes”。

研究團隊將少層原子薄層奈米多孔石墨烯進行交錯堆疊，構建了兼具高滲透率和選擇性的二維材料分離膜用於水分子/鹽離子的高效選擇性分離。在該結構中，原子薄層奈米多孔石墨烯內部的奈米孔不僅可以為水分子提供一維傳輸通道，奈米孔邊緣的含氧官能團還可以作為石墨烯片層之間的結構支撐確保片層之間的二維傳輸通道處於開口狀態，為水分子提供二維傳輸通道。奈米孔石墨烯的平面部分不含含氧官能團，因此堆疊形成的二維傳輸通道內部不含含氧官能團，降低了水分子與二維通道之間的相互作用，大幅提高了水滲透率。交錯堆疊結構奈米多孔二維分離膜內部的一維傳輸通道可以透過尺寸篩分作用與鹽離子進行相互作用，二維傳輸通道可以透過門控效應與鹽離子進行相互作用，增加了鹽離子與分離膜之間的相互作用，提高了離子選擇性。研究表明，該奈米多孔二維分離膜能夠實現水分子和鹽離子的高效選擇性分離，水滲透率可達77.8
L m^–2 h^–1 bar^–1，對亞奈米尺寸單價鹽離子的分離選擇性達到了95.2%。