卡耐基梅隆大学Amir Barati Farimani 团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces，IF=9.5》上发表了题为“Fast Water Desalination with a Graphene−MoS2 Nanoporous Heterostructure”的研究论文。研究探索了石墨烯-MoS2异质结构膜用于水脱盐的潜力，重点是双层膜相对于单层膜的优势。通过广泛的分子动力学模拟和统计分析，研究了双层MoS2 −石墨烯，并与石墨烯和MoS2进行了比较。通过优化异质结构膜，在保持高离子截留率的同时实现了提高的水通量。此外，研究深入到异质结构纳米孔优异性能的物理机制，将它们与圆形双层和单层孔进行比较。研究的因素包括水的结构，水化壳附近的膜表面，水密度，能量势垒的使用潜力和纳米孔内的孔隙率。研究结果有助于理解异质结构膜及其在提高水脱盐效率方面的潜力，为未来的膜设计和优化提供有价值的见解。
模拟系统由石墨烯活塞、盐水部分、NPG和MoS 2膜以及纯水部分组成（图1a）。模拟环境是一个周期性的盒子，在x，y和z方向上的尺寸约为4 nm × 4 nm × 13 nm。为了创建异质膜，向石墨烯层添加了一层MoS2，研究了不同的纳米孔几何形状，包括圆形石墨烯，圆形MoS2，圆形MoS2-石墨烯，圆形石墨烯- MoS2等（图1b）。将石墨烯和MoS2膜放置在盐水和淡水部分之间。将石墨烯活塞放置在盐水部分后面，用于向盐水施加外部压力。单层NPG（MNPG）和双层NPG（BNPG）膜允许水和离子通过孔进入过滤水部分。为了将刚性石墨烯和MoS2层彼此分离，S（硫）和C（碳）之间的层间空间被定义为3.51埃，根据实验观察到的MoS2和石墨烯之间的距离来调整距离。青色表示石墨烯（碳原子）膜，MoS2用黄色（S原子）和橙子（Mo原子）表示（图1b）。
在100 MPa的外部压力下，水通量通常随着所施加的外部压力而线性增加。在OGM纳米孔中观察到的较高的水通量表明其即使在工厂条件下RO水脱盐的较低压力下也保持优异性能的潜力（图2b。在更高的压力200 MPa下，水通量保持了OGM在其他纳米孔中的优异性能。膜的脱盐能力在其整体性能中起着至关重要的作用。值得注意的是，OGM纳米孔在100 MPa压力下表现出97.71%的优异的平均离子截留率，而具有相同孔面积的Ozark的离子截留率较低（94.76%）。与OGM纳米孔相比，具有较大孔面积尺寸的OGME纳米孔表现出略低的离子截留率。这突出了双层石墨烯-MoS2中的窄层间区域如何作为离子的能量屏障。圆形石墨烯-MoS2和圆形MoS2-石墨烯膜的比较模拟表明，圆形石墨烯- MoS2表现出更高的离子截留率（分别为96.99%和94.83%），同时保持稳定的水通量。此外，单层MoS2和单层石墨烯的模拟显示，MoS2在离子排斥方面优于石墨烯（94.49%与92.77%）。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c01960
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