几十年来，研究人员一直在寻求开发能够有效过滤水、同时最大限度地减少能源消耗的膜。这种膜可以实现节能海水淡化，从海水或废水中生产淡水。这有助于在水资源日益短缺的情况下提供清洁的饮用水。
然而，当前的膜材料（如聚合物）传统上面临着渗透性和选择性之间固有的权衡。高渗透膜往往选择性较低，允许不需要的溶解颗粒通过。同时，高选择性膜的渗透性较差，需要很大的压力和能量才能让水通过。
科学家们提出原子薄的多孔石墨烯作为打破这种权衡的理想膜材料。有了合适的纳米孔，石墨烯独特的二维结构应该能够实现极快的渗透和精确到分子尺度的选择性。但事实证明，将这一承诺转化为实用的大面积膜具有巨大的挑战性。
原始单层形式的石墨烯膜太脆弱，容易撕裂和堵塞。因此，石墨烯必须转移到多孔基材上以进行机械支撑和模块集成。然而，这存在层间形成缺陷的风险，从而降低石墨烯的分离性能。所得膜还表现出较差的耐压、耐弯曲、耐张力和耐操作性。它们有限的机械强度阻碍了可扩展的制造和设备集成。如果不进行改进，石墨烯膜仍然不适合现实世界的部署。
在此背景下，北京大学、北京师范大学和鲁汶大学的研究人员最近报道了一种大幅增强大面积石墨烯膜的新方法。他们的工作发表在《先进功能材料》（“Bioinspired Large-Area Atomically-Thin Graphene Membranes”）上，代表了用于实际水净化的坚固石墨烯膜的重大进展。
a) 设计复合膜的结构模型。b) NGCM 制造过程示意图。首先，通过CVD方法生长单层石墨烯样品。然后，将PVDF-DMAc溶液涂覆到石墨烯上并置于水浴中以形成PVDF层。接下来，通过热压将非织造增强层与PVDF层复合。随后，蚀刻掉铜，形成石墨烯/PVDF/无纺布复合膜，然后粘附到另一个石墨烯样品上，重复上述热压和蚀刻过程，得到双层石墨烯复合膜。最后，采用等离子体蚀刻在双层石墨烯表面诱导纳米孔。（经 Wiley-VCH Verlag 许可转载）
研究人员从植物细胞生物学中获得了灵感。植物细胞被包裹在坚固的复合结构中，细胞膜被纤维细胞壁包围。这提供了机械强度以承受水输送的渗透压梯度。采用这种仿生原理，该团队将石墨烯夹在纳米级聚合物粘合层和多孔非织造支撑基质之间。
与之前的石墨烯膜相比，这种复合增强材料将石墨烯膜的断裂应力和强度分别提高了 17 倍和 67 倍。膜的硬度增加了 94 倍。测试证明了反复弯曲和搬运的稳定性。与过去的尝试不同，即使在极端曲率下也不会形成撕裂。该膜可承受超过 10,000 次弯曲循环，并保留高石墨烯覆盖率，远远超过典型的聚合物薄膜。令人惊讶的稳健性能源于聚合物中间层和机械脆弱的石墨烯周围的纤维网络支撑基质之间的协同作用。
为了实现选择性分子传输，该团队通过氩等离子体蚀刻将纳米孔引入石墨烯中。测试表明，纳米多孔石墨烯膜可以在高达 5 bar 的压力下完全阻止液态水的渗透。这种非凡的不渗透性是由石墨烯埃级孔隙内水的表面张力造成的。然而，该膜表现出非常高的气体渗透性，比商用聚合物薄膜高出 6 个数量级。
具体而言，石墨烯膜表现出8.6-23L m -2 d -1 Pa -1 的超高气体渗透率以及23-129 gm -2 d -1的极低的水蒸气传输速率。这种可调节的“呼吸”性能反映了植物叶子中的气孔。改变等离子体工艺可调节纳米孔密度，以根据不同分离的需要定制渗透性。
该团队的新型增强石墨烯膜结构克服了长期以来阻碍这些有前景材料在现实世界中应用的致命弱点。改进的可扩展制造方法和模块集成能力标志着部署石墨烯膜的一个重要里程碑。
展望未来，该方法可以适用于二硫化钼等不同的二维材料，以扩大具有所需分离能力的膜材料的选择。研究人员强调，他们坚固的石墨烯膜在商业可行性之前仍需要进一步开发和测试。尽管如此，他们的开拓性工作为下一代膜提供了重要的基础，并开启了令人兴奋的前景，使水净化更加节能。
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