Science Advances | 诺奖得主：二维材料制备和最新应用视角！

研究背景

二维纳米片材料作为构建先进膜的候选材料之一备受关注。这些材料具有大的侧向面积和原子级厚度，例如石墨烯、MXene（如Ti₃C₂T_x）和六方氮化硼（h-BN），已被广泛探索用于构建新型膜。它们展现出在气体分离、离子筛选、水淡化和净化等各种应用中的吸引人的分离性能。这主要归因于2D材料的可调性，可以调控膜的缝隙状孔径大小和表面化学性质，从而实现快速和选择性的质量传输。

然而，当前对于这些复杂纳米通道中流体传输机制的理解尚不充分。先前的研究发现，纳米孔表面性质可能在溶剂传输过程中扮演着重要角色，特别是在极端的约束条件下。以前的工作也表明，传统的流体传输模型在描述亚纳米级通道中的溶剂传输时存在局限性，如Hagen-Poiseuille模型。这些模型无法准确预测溶剂通量，尤其是当孔径尺寸小于1纳米时。为了解决这些挑战，科学家们进行了一系列研究，旨在深入理解纳米通道中的流体传输机制并开发新型膜材料。然而，迄今为止，对于异质通道膜的研究尚未有所报道。

研究内容

有鉴于此，新加坡国立大学功能智能材料研究所Kostya S. Novoselov教授（2010年诺贝尔物理学奖得主）、南京工业大学陆小华教授团队和莫纳什大学王焕庭院士等人在“Science Advances”期刊上发表了题为“Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes”的论文。本研究旨在填补这一空白，通过构建亚纳米异质通道膜来探索复杂纳米通道中的流体传输机制。为此，科学家们合成了由还原MXene（Ti₃C₂）和石墨烯交替堆叠而成的异质通道膜，并进行了结构表征和流体传输速率的实验测量。通过这项研究，科学家们开发了一个新的亚连续流模型，通过建立表面-流体相互作用的直接关系，能够更准确地预测溶剂在亚纳米裂缝孔膜中的传输。这一研究工作为设计先进膜材料并解决工业分离挑战提供了重要的理论和实验基础。

图文导读

为了深入理解纳米片基膜的结构和流体传输特性，研究者进行了一系列的实验和理论分析，并将结果展示在以下图中。

首先，在图1中，研究者展示了亚纳米异质通道膜的结构特征。这些膜由还原的MXene（Ti₃C₂）和石墨烯交替堆叠而成，形成了具有亚纳米孔的通道结构。这种异质通道膜的结构为后续的实验和模拟研究奠定了基础。接着，在图2中，研究者研究了溶剂通过Ti₃C₂-石墨烯异质通道膜的渗透性。实验结果表明，在完全拒绝盐和有机染料的情况下，这些膜具有显著高的溶剂通量。具体数据显示，溶剂通过率显著高于其他杂质的拒绝率，这表明异质通道膜在溶剂传输方面具有优异的性能。在图3中，研究者研究了亚纳米异质通道对溶剂通量的影响。结果显示，相比于同源结构的膜，具有亚纳米通道的膜表现出了更高的溶剂通量。这说明了亚纳米尺度下通道的微观结构对溶剂传输行为的影响。接下来，在图4中，研究者探究了受限表面对不同组成膜中溶剂渗透的影响。实验结果显示，膜的组成对溶剂传输率有显著影响，而受限表面的存在进一步增强了溶剂的渗透性。这些发现揭示了膜的结构和表面特性对溶剂传输性能的重要影响。最后，在图5中，研究者使用提出的模型预测了溶剂通量与流体参数的相关性。通过建立溶剂分子与通道壁相互作用与溶剂通量之间的直接关系，他们能够准确预测不同条件下的膜通量。这个模型为理解和优化纳米片基膜的设计提供了重要的指导。

图 1 |  由交替堆叠的还原MXene（Ti₃C₂）和石墨烯组成的亚纳米异质通道膜的表征。

图 2 | 溶剂通过Ti₃C₂-石墨烯异质通道膜的渗透性。

图 3 | 亚纳米异质通道对溶剂通量的影响。

图 4 | 表面限制对不同组成膜中溶剂渗透的影响。

图 5 | 所提出的模型预测的通量与流体参数相关。

结论展望

本文通过研究亚纳米级缝隙膜中溶剂的渗透行为，为纳米技术在分离和净化领域的应用提供了科学意义。首先，研究揭示了亚纳米级缝隙膜对溶剂通量的显著影响。通过建立子连续流模型，揭示了溶剂流体传输受约束依赖性流体参数的显著影响，为进一步优化膜的设计和应用提供了理论基础。

其次，研究发现溶剂在亚纳米级缝隙膜中表现为低密度液体，与气体接近，且具有较低的粘度，这为开发高效的纳米级分离膜提供了重要参考。此外，通过对流体参数的量化分析，还发现了溶剂流体的特性与缝隙膜结构之间的关联，为理解纳米级膜中的溶剂传输机制提供了深入洞察。最后，通过与实验结果的比较验证了模型的准确性，为进一步优化膜的设计提供了重要参考。

该工作发表在Science Advances上

文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1455