近年来，水资源短缺和污染问题日益严峻，全球对高效水处理技术的需求不断增加。膜分离技术作为水处理、废水回收和海水淡化等领域的重要技术之一，凭借其高效的分离性能、低能耗和操作简便等优点，受到了广泛关注。然而，传统膜材料在离子选择性、机械强度、稳定性等方面仍存在诸多不足，尤其是石墨烯氧化物（GO）膜。GO膜因其良好的化学稳定性、较高的比表面积和可调节的孔径，成为近年来膜材料研究中的重要方向，但其水通量和离子选择性较低，且机械性能不足，限制了其在高强度和长时间操作条件下的应用。
为了克服这些问题，研究者们开始尝试将GO膜与其他功能性材料结合，提升膜的综合性能。在这些材料中，银（Ag）因其优异的导电性、抗菌性和对水分子及离子的良好相互作用性，成为一种理想的候选物。通过将银纳米片嵌入GO膜层，可以有效提升膜的离子选择性、机械强度和稳定性，克服GO膜在实际应用中遇到的瓶颈。
近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌教授和李湛研究员团队在国际期刊《Small》上发表的研究展示了一种创新的复合膜结构，通过将银纳米片（Ag）嵌入石墨烯氧化物（GO）膜层中，成功提升了膜材料的离子分离性能、机械强度和水通量。该研究不仅为膜技术在资源回收、废水处理等领域的工业化应用提供了新的理论基础，还为二维材料的设计提供了全新的思路。研究表明，银纳米片的引入大幅度提高了GO膜的离子选择性和机械稳定性，使得该膜在盐湖水分离、海水淡化及离子筛选等领域表现出了极大的应用潜力。
研究创新点及关键技术
本研究的创新之处在于提出了通过金属限制的二维纳米通道（metal-constrained 2D nanoconfinement）结构，将银纳米片嵌入石墨烯氧化物膜层，从而有效提升膜的离子分离能力和机械性能。具体创新点包括：
1.银纳米片的嵌入与GO膜的复合设计
研究团队通过化学还原法将银纳米片嵌入GO层间，形成了具有金属限制的二维纳米通道结构。银纳米片的嵌入不仅增强了膜的机械强度，还优化了水分子在GO膜中的流动路径。通过银纳米片的引入，膜的表面特性得到了改善，形成了更加疏水的环境，有效促进了水分子在膜层之间的流动，增强了水通量。同时，银的引入还能够通过局部的电场效应，调控离子在膜中的选择性传输。
2.离子分离选择性的提升
实验结果表明，GO-Ag膜在多种离子对的分离测试中表现出了显著的选择性提升。在Li+/Mg2+和Na+/Mg2+的分离中，GO-Ag膜的选择性分别达到了29.0和183.3，远高于纯GO膜。这一结果表明，银纳米片的引入使得膜在筛选不同电荷和大小的离子时，具备了更高的精度。这一性能提升的根本原因在于银纳米片提供了更加有序的分子筛孔结构和改善的表面电荷分布，从而提高了膜对离子的选择性。
3.增强的机械性能和膜稳定性
银纳米片的引入大幅度增强了GO-Ag膜的机械强度。实验表明，GO-Ag膜的抗拉强度达到了4.26 MPa，比纯GO膜提高了近30倍，且膜的应变能力（123.03%）也表现出极大的韧性。在盐湖水分离实验中，GO-Ag膜在长时间运行过程中保持了优异的机械稳定性，能够承受较高的操作压力和拉伸应力，这一特点使得该膜材料在实际工业化应用中更加耐用，具有较长的使用寿命。
4.水通量的显著提升
研究表明，GO-Ag膜的水通量显著高于纯GO膜。银纳米片的引入降低了水分子与膜表面的摩擦阻力，形成了更加畅通的水分子通道。通过优化水通道结构，银纳米片使得水分子能够更快速地通过膜层，极大地提高了水通量，同时减少了能量消耗。这一特性使得GO-Ag膜在低能耗水处理过程中具有显著的优势。
5.分子动力学模拟：揭示银纳米片对膜性能的作用机制
为了深入理解银纳米片对GO膜性能提升的作用，研究团队采用了分子动力学模拟（SMD）技术，分析了银纳米片在GO层间的拉伸过程。模拟结果表明，银纳米片能够有效吸收外部应力并延缓膜的破裂，增强了膜的韧性。在拉伸过程中，银纳米片的存在使得膜材料更为坚固，且拉伸过程中能够形成更大的变形而不发生破裂。这一模拟结果进一步验证了银纳米片对增强膜的机械性能和稳定性的作用。
应用前景与工业化潜力
1.盐湖水处理与离子回收
GO-Ag膜在盐湖水分离中的优异性能表明，其在离子分离与资源回收中的应用前景广阔。尤其是在锂、钠、镁等重要金属的回收中，GO-Ag膜可以实现高效分离和精确筛选，为盐湖资源的高效开发提供了新的技术路径。此外，GO-Ag膜在离子回收中的高选择性和高稳定性，也为稀有金属的回收和环境污染治理提供了可行方案。
2.海水淡化与废水处理
GO-Ag膜在海水淡化和废水处理中的应用潜力同样巨大。其高水通量、低能耗和优异的离子选择性使其成为海水淡化过程中理想的膜材料。银纳米片的引入不仅提高了膜的水通量，还减少了膜表面的污染和结垢，延长了膜的使用寿命。通过优化GO-Ag膜的性能，可以显著降低海水淡化和废水处理的能源消耗，降低操作成本，提高资源利用效率。
3.低能耗水处理技术的推动
随着能源消耗和环境问题的日益严峻，低能耗水处理技术变得愈发重要。GO-Ag膜通过减少膜通道的摩擦，提升了水的流速和通量，能够在较低的压力下工作，从而有效降低了能源消耗。此外，银纳米片的引入提升了膜的稳定性和抗污染能力，使得GO-Ag膜在长时间使用过程中保持较高的效率，具备了广泛的应用潜力。
总结与展望
研究团队提出了一种将银纳米片嵌入GO膜的新型设计，通过金属限制的二维纳米通道结构显著提升了膜的离子分离能力、机械强度和水通量。该研究不仅为GO膜的改性提供了新的思路，也为膜技术在环境保护、水资源回收等领域的应用提供了重要的理论支持。随着膜材料研究的深入，GO-Ag膜有望在工业化应用中发挥重要作用，推动膜技术的进一步发展。未来的研究将致力于进一步优化GO-Ag膜的结构，探索更多功能化和可持续发展的膜材料，推动其在更加广泛的领域中的应用。同时，随着工业化生产技术的成熟，GO-Ag膜在实际应用中的成本将进一步降低，推动膜技术在全球范围内的推广应用。
论文第一作者为兰州大学核科学与技术学院硕士生杨昀潮，通讯作者为李湛研究员，陈熙萌教授对论文提供重大帮助。论文受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
Enhanced Stretchable 2D Metal-Graphene Membranes with Superior Mechanical Properties for Sieving Lithium from Brine
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202409950
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