南京大学Nano Lett.：软颗粒插层氧化石墨烯膜实现快速选择性的水传输

【引言】

近来，在控制氧化石墨烯（GO）膜的层间距以实现高效分离以及在增强GO膜稳定性方面取得的研究进展，极大促进了GO膜在脱盐和水净化中的实际应用。这其中，将特定物质插入GO膜层间，通过控制其与GO片发生化学或物理相互作用来调控层间距是一种有效的策略，但是要选择合适的插层剂却极为困难。首先，插入不可变形的硬物质（例如，TiO₂粒子），由于其尺寸通常为几个纳米，往往会导致GO膜原有的有序层状结构破坏，从而难以有效截留离子。目前，制备亚纳米尺寸并同时分散良好的硬质物质仍然是一个巨大的挑战。其次，研究人员通常选择小分子化学物质（例如，乙二胺）或金属离子（例如，Ca²⁺）作为插层剂，用于交联GO纳米片来调控层间距，实现对各种离子的截留。但是，插层剂和GO片之间较强的相互作用会使得层间距变小，因此水通量较低；而且很难通过对小分子插层剂化学改性进行改进。此外，在长期使用过程中，这些水溶性小分子化学物质或金属离子会从膜中溶出而造成缺陷，导致膜截留性能下降。因此，开发更加高效的插层剂是非常重要的。

【成果简介】

近日，南京大学张炜铭教授研究团队，首次报道了以软性颗粒-聚丙烯腈凝胶粒子（PAN GPs）作为插层剂，通过PAN GP变形来有效调控氧化石墨烯（GO）膜的层间距。而且，碱处理使PAN GPs表面生成疏水/亲水结构，有助于水在GO膜中的溶解-扩散。在GO膜中插层PAN GPs软性粒子，可以实现水有选择的快速传输，例如，该GO膜对重金属络合离子Cu-EDTA^2-的去除效率是文献中2D膜的4-13倍。相关成果以“Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes”为题发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图 1 插层聚丙烯腈凝胶粒子（PAN GPs）制备GO纳滤膜示意图

图 2 TEM表征以及PAN GP尺寸对Cu-EDTA^2-分离的影响

（a-d）加入不同体积乙醇制备的ATPP@GOM-n的TEM图：（a）20％，（b）30％，（c）50％和（d）70％；

（e）加入不同体积乙醇制备的ATPP@GOM-n膜对Cu-EDTA ^2-的去除性能（插图是Cu-EDTA^2-的几何结构）；

（f）通过PAN GPs的溶胀、阴离子-π的相互作用以及外加压力来调节层间距的机制。

图 3 PAN GPs表面电荷对水传输的影响

（a，）TPP@GOM-30膜的照片

（b）ATPP@GOM-30膜的照片；

（c）由PAN GPs表面电荷引导的类水通道蛋白的水快速传输；

（d）KOH浓度对Cu-EDTA^2-分离性能的影响。

图 4 GO膜中PAN GP加入量、长时间分离性能以及与文献中相关膜的比较

（a）PAN/GO质量比对Cu-EDTA^2-分离性能的影响；

（b）ATPP@GOM-30膜对Cu-EDTA^2-的水通量和截留率随时间的变化；

（c）ATPP@GOM-30膜对不同配位重金属（Cu，Ni和Cr）和螯合剂（NTA，CA和EDTA）的重金属-有机络合阴离子的通量和截留率；

（d）ATPP@GOM-30膜与文献中报道的纳滤膜和商用聚合物膜的通量和截留率的比较。

【小结】

本文在GO膜中添加PAN GPs，通过调控PAN GPs粒子的变形和进一步的化学修饰有效地控制层间距，能够高效截留重金属络合离子，例如，该GO膜对10ppm重金属离子，截留率>96%。综上所述，插层软物质粒子是一种有效且简便的策略，可制备用于脱盐和水净化的GO或其他2D膜。

文献链接：Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes（Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02724）.