(综述)中科院金属所任文才团队Adv. Funct. Mater.: 二维纳米流体通道中的离子和水输运

2024年2月23日，Adv. Funct. Mater.在线发表了中科院金属所任文才研究员课题组的综述论文，题目为《Ion and Water Transport in 2D Nanofluidic Channels》，论文的第一作者为Xin Yu。

近年来，二维纳米流体通道的研究取得了显著进展。层状材料在剥离和重构方面的突破无疑增强了设计具有良好质量输运的二维纳米流体通道的灵活性。一般来说，二维纳米片的本征性质会显著影响分子和离子通过纳米通道的输运行为。对纳米流体通道的额外调节，如精确设计的层间距和纳米通道表面精细调节的物理和化学性质，可以进一步提高膜的性能。

此外，环境刺激、电压、光和磁场等外部因素也可以调节质量输运特性。全面理解和有策略地操纵这些控制质量输运的因素有助于达到预期的最佳性能，从而实现未来在能源相关和水处理相关领域的应用。尽管如此，从实践到理论的角度来看，仍然存在挑战，阻碍了层状膜的广泛应用，这些问题仍有待解决。

1. 剥离和重构：毫无疑问，二维材料在构建二维纳米流体通道方面具有很大的优势，在广泛的领域具有巨大的应用潜力。到目前为止，无数的研究报道了用于水和离子输运的层状膜。然而，这些材料大多集中在有限的品种上，包括GO、h-BN、MoS2和MXene，而通常仅限于特定类型的物种，例如MXene中的Ti3C2Tx。应该指出的是，不同类型的物种在输运性能上可能存在差异。
2. 调节：为了满足目标应用的特定要求，已经对二维纳米流体通道进行了各种调节。然而，这些合成纳米流体通道的精度和效率尚未与它们的生物对应物相媲美。需要更专业的理论和实验研究来阐明纳米通道的各种性质对质量输运的复杂影响，如表面光滑度、亲水性、表面电荷的种类和表面电荷的分布。
3. 应用：尽管在能源相关和水处理相关领域取得了巨大进展，但要实现广泛应用，仍需解决几个实际挑战。选择性和渗透性之间的权衡是膜技术领域持续关注的问题。尽管多孔单层二维材料是获得最高渗透性的最理想膜，但制备具有均匀可控孔径和分布的大规模单层材料仍面临重大挑战。

相比之下，二维层状膜在制造过程中具有优势。然而，厚度从几微米到几十微米的二维层状膜已经得到了广泛的研究，由于输运距离大，这显然在降低离子输运阻力方面存在固有的缺点。通过使用穿透膜的二维纳米片构建针孔可能会开辟一条新的途径来最小化输运阻力，从而提高膜在各种应用中的性能。另一个潜在的解决方案是设计创新的二维纳米流体通道，这些通道对输运物种（如石墨烯基膜内的水分子）具有低阻力。基于二维纳米流体通道的新现象和创新应用仍值得探索，既可以带来产业变革，也可以实现科技突破。

图1 基于二维材料的水和离子输运研究进展时间表

图2 这篇综述的范围

图3 层状材料剥离的典型方法

图4 二维纳米片组装的常用技术

图5 二维纳米流体通道的尺寸选择性

图6 二维纳米流体通道的电荷选择性

图7 增强和超快的离子或水输运

图8 二维纳米流体通道中的离子电流整流(ICR)

图9 水对层间距的影响

图10 通过调节二维层状膜的层间距来调节离子和水输运

图11 通过调节二维纳米流体通道的表面化学性质来调节离子和水输运

图12 外部因素对离子和水输运的调节

图13 反向电渗析(RED)系统二维层状膜的优化策略

图14 二维层状膜在水/染料分离中的应用

图15 二维层状膜在水/离子分离中的应用

图16 二维材料在单离子分离或提取中的应用

论文链接

Yu, X. & Ren, W. Ion and Water Transport in 2D Nanofluidic Channels. Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2313968. https://doi.org/10.1002/adfm.202313968