原子薄层二维材料具有优异的物理、化学稳定性，是构筑高性能分离膜的理想单元，在海水淡化领域具有重要应用前景。纳米多孔的二维材料分离膜主要包括两种结构：一种结构是在原子薄层二维材料内部引入纳米孔得到的单原子层纳米多孔分离膜，分子/离子在分离膜内部的选择性分离主要依赖于二维材料内部形成的一维传输通道；一种是通过将原子薄层二维纳米片进行堆叠形成的层状结构分离膜，分子/离子在这种结构内部的传输主要通过纳米片层之间形成的二维传输通道。然而，纳米多孔的二维材料分离膜长期以来面临难以平衡渗透率和选择性的矛盾问题，极大地影响了分离效率。
分离的本质在于分子/离子与分离膜之间的相互作用。单原子层的纳米多孔二维材料分离膜由于其单原子层厚度的特征，具有最小的分子/离子传输阻力。水分子/盐离子与分离膜内部的一维纳米通道之间的相互作用时间短，水分子和盐离子均会以较快的速度通过纳米通道。因此原子薄层的纳米多孔二维材料分离膜水渗透率较高，而离子选择性低。由原子薄层二维材料堆叠形成的层状结构分离膜具有较长和曲折的分子/离子传输路径，增加水分子/盐离子与二维纳米通道之间相互作用时间的同时，二维纳米通道内部丰富的含氧基团也增加了水分子/盐离子与分离膜之间的相互作用力，提高了离子选择性，但降低了水渗透率。
近日，《国家科学评论》（National Science Review）在线发表了武汉大学化学与分子科学学院袁荃教授和杨雁冰教授以及动力与机械学院刘抗教授在石墨烯分离膜领域的最新合作研究成果，论文题为“Fast water transport and ionic sieving in ultrathin stacked nanoporous two-dimensional membranes”。
研究团队将少层原子薄层纳米多孔石墨烯进行交错堆叠，构建了兼具高渗透率和选择性的二维材料分离膜用于水分子/盐离子的高效选择性分离。在该结构中，原子薄层纳米多孔石墨烯内部的纳米孔不仅可以为水分子提供一维传输通道，纳米孔边缘的含氧官能团还可以作为石墨烯片层之间的结构支撑确保片层之间的二维传输通道处于开口状态，为水分子提供二维传输通道。纳米孔石墨烯的平面部分不含含氧官能团，因此堆叠形成的二维传输通道内部不含含氧官能团，降低了水分子与二维通道之间的相互作用，大幅提高了水渗透率。交错堆叠结构纳米多孔二维分离膜内部的一维传输通道可以通过尺寸筛分作用与盐离子进行相互作用，二维传输通道可以通过门控效应与盐离子进行相互作用，增加了盐离子与分离膜之间的相互作用，提高了离子选择性。研究表明，该纳米多孔二维分离膜能够实现水分子和盐离子的高效选择性分离，水渗透率可达77.8 L m–2 h–1 bar–1，对亚纳米尺寸单价盐离子的分离选择性达到了95.2%。
该研究为构建兼具高渗透率和高选择性的二维材料分离膜用于海水淡化提供了潜在的解决方案，有望为探究纳米尺度限域空间内分子/离子的传输行为提供有力的平台。
阅读原文：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae482
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