李丹/刘哲Nature Nano：巧用石墨烯膜电控离子传输！

第一作者：Chi Cheng

通讯作者：李丹、刘哲

通讯单位：墨尔本大学

研究亮点：

1. 利用多层石墨烯材料的层间极限限域（< 2 nm），成功构筑了能够研究固液界面双电层内离子运输现象本质的实验平台。

2. 首次揭示了离子关联（ion-ioncorrelations）可用于在电调控离子传输性质中特殊作用，为电化学储能和膜分离技术的发展提供了新思路。

对极限限域下离子传输特殊行为的研究具有重要意义，但由于各种因素这项研究存在一些难点。

有鉴于此，墨尔本大学李丹教授和刘哲教授团队合作，通过巧妙利用多层堆叠石墨烯材料的本征性质，成功开发了出了一种新型石墨烯膜材料研究平台。

a) 多层堆叠石墨烯纳米离子测试平台, b) 离子通过石墨烯层间纳米孔道的扩散曲线，c) 程式化电控制离子扩散曲线，d）电控离子扩散响应时间和循环稳定特征。

研究人员将多层堆叠石墨烯材料一物多用。凭借这种材料一来可以自组装形成块体薄膜，其层状纳米孔道网络尺寸在10 nm 以下连续可调，再加之它具备很好的导电能力，可以直接用作超级电容器电极研究离子在不同电极化程度及超微纳米孔道中传输性质的实验平台，超越传统纳米加工的极限。

研究发现，离子浓差扩散行为在通过限域纳米孔道时，会直接受到双电层极化程度的影响，并且影响方式极为特别。传统理论认为，在较高极化的纳米孔道中，共离子(co ion)和对离子(counter ion)离子浓度差距扩大，由于共离子浓度降低，整体离子扩散由此受阻。然而实验观测发现，共离子和对离子离子浓度差距不增反减，离子扩散随着纳米孔道极化程度大幅提高。进一步的模拟分析揭示，在极小的纳米孔道中，离子关联作用会变的很强，在高极化的纳米孔道中反而会形成高浓度的共离子层。

总之，这项发现为实现对离子传输性质的有效调控提供了一种新机制。

参考文献：

Cheng C, Jiang G, Simon G P, et al. Low-voltageelectrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporous membranes[J].Nature Nanotechnology, 2018.

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0181-4

DOI：10.1038/s41565-018-0181-4

作者简介：

李丹教授团队多年来专注于多层堆叠石墨烯结构的合成，微结构调控及应用探索，近年来不断取得新的突破。 2011年，该团队首次提出了石墨烯多层膜用于纳滤膜的概念 （Chem Comm 47,5810 (2011)。随后，他们进一步开发出了层间距可连续调控的多层石墨烯膜，并由此提出制备高密度超级电容器储能材料的核心设计思想 (Science, 341, 534 (2013))。同时，利用这一类独特的石墨烯薄膜材料对离子在纳米限域中的传输性质展开了系统研究，首次给出了10 纳米以下离子传输性质的纳米限域效应规律 (ScienceAdvances, 2, e1501272 (2016))，展示了这类材料在智能分离膜（AdvancedFunctional Materials 25, 126 (2015)）及骨再生中的独特应用（AdvancedMaterials, 28, 4015 (2016)）。