金萬勤

南京工業(yè)大學，材料化學工程國家重點實驗室，南京 211816

近年來，納濾膜在水質(zhì)凈化、石油化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。單原子層厚的二維材料是構(gòu)建高性能納濾膜的理想構(gòu)筑單元1。大量研究集中在調(diào)控疊層二維材料膜的層間距實現(xiàn)水和離子的精確篩分2。同時，在二維材料面內(nèi)構(gòu)筑納米孔進行分離也是這些年的研究熱點。然而，目前實驗研究僅局限于對小面積(微米尺度)原子層厚納米孔二維材料膜的概念性驗證3。如何將該類膜大面積化并保留其優(yōu)異的分離性能是滿足實際應用的關(guān)鍵。大面積石墨烯內(nèi)部存在很多晶界，會降低石墨烯的機械性能，引入納米孔的過程將會進一步降低機械性能，導致膜容易發(fā)生局部破裂，極大地降低分離選擇性4。因此，將納米孔二維材料膜應用于分離過程研究面臨著兩大挑戰(zhàn)：(1)如何大面積制備具有優(yōu)異機械強度和柔性的分離膜；(2)如何在膜內(nèi)部引入高密度均一孔徑分布的亞納米孔，實現(xiàn)水分子的快速透過和鹽離子/有機分子的有效截留。

為了解決這些問題，袁荃教授和段鑲鋒教授團隊在Science上發(fā)表題為《大面積高強度石墨烯納米篩/碳納米管復合膜在離子和分子納濾中的應用研究》的文章5。該工作利用具有優(yōu)異機械性能的碳納米管膜將石墨烯納米篩分割成多個微區(qū)域并作為微尺度的框架來支撐石墨烯，保留了石墨烯納米篩優(yōu)異的機械性能和石墨烯納米篩在大面積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。采用介孔氧化硅作為制備石墨烯納米篩的多孔掩模板，保證了石墨烯納米篩內(nèi)部孔徑分布的均一性。分離性能研究表明，石墨烯納米篩/碳納米管復合膜對鹽離子如Na+，K+和Mg2+的截留率可以達到85%以上，對有機分子的截留率高達99%；同時水滲透性高達110.6 L·m-2·h-1·bar-1(1 bar = 100 kPa)，是傳統(tǒng)商品化膜和文獻報道的石墨烯基膜的10-100倍，克服了商品化膜無法兼顧高滲透性和選擇性的問題。此外，石墨烯納米篩/碳納米管復合膜具有優(yōu)異的機械性能，在彎曲形變下仍然可以保持優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性、水滲透性和分離選擇性，為構(gòu)造膜組件提供了一種可能。

該項研究構(gòu)建的超薄石墨烯納米篩/碳納米管復合膜克服了納米孔二維材料膜在機械強度和分離精度上的局限性，是二維材料膜領(lǐng)域的一個重要進展，為二維材料膜的發(fā)展帶來了新的機遇。相信在這個工作基礎(chǔ)之上，將會涌現(xiàn)更多優(yōu)異性能的二維材料分離膜。