第一作者：Yanbing Yang, XiangdongYang
通訊作者：袁荃、段鑲鋒
通訊單位：武漢大學、湖南大學、UCLA
長期以來，石墨烯膜在海水淡化領域的應用難以更進一步。一個主要的原因在于，石墨烯納濾膜的規?；a一直停滯不前。目前，石墨烯納濾膜的設計主要有兩大策略：1）制造具有特定納米孔的單層石墨烯；2）氧化石墨烯堆疊形成具有特定二維納米通道。
第一種策略要求在無缺陷的、高機械強度的單層石墨烯上形成高密度的亞納米孔，難度頗大，一不小心就把孔造大了；第二種方法通過羥基，羧基和環氧官能團進行化學修飾，可以控制二維通道的層間距，但這些官能團也在水溶液引起GO膜的溶脹。
因此，這兩種方法都無法滿足石墨烯納濾膜規?；瘧玫闹匾魬穑_發適用于米級規?；苽涞氖┗{濾膜，是該領域亟需解決的關鍵問題。
有鑒于此，武漢大學袁荃和湖南大學/UCLA段鑲鋒等團隊合作，報道了一種新型的厘米級納米多孔石墨烯的制備方法，有望更容易實現石墨烯納濾膜的規?；a。
作者首先通過CVD制備具有高機械強度的厘米級石墨烯，然后通過氧等離子體刻蝕制造相對均勻的納米孔（直徑0.3~1.2nm）。這項研究的重要之處在于，它使石墨烯基納濾膜的面積達到厘米級。在實驗室規模的膜系統中進行測試，發現該材料可以從鹽水中剔除85％至97％的鹽。
盡管如此，如何將這種方法進行實用化拓展以生產海水淡化工業中膜組件所需的米級膜仍存在許多挑戰。
第一個挑戰在于：盡管該方法中孔徑分布非常窄，但仍然需要需要進一步縮小以保證鹽排斥率>99％。原子模擬表明，當孔徑<0.55 nm時，才可能實現絕對脫鹽。然而，更大尺寸的石墨烯很難避免更大的孔和更多的缺陷，將膜面積從厘米尺度增加到米尺度的實質性挑戰不言而喻。
第二個挑戰在于：更精細地控制納米孔邊緣上的官能團。羥基等官能團與離子形成氫鍵，降低了離子通過孔的自由能壘，這可能降低鹽排斥率。而帶電的羧酸鹽基團可能通過電荷效應增加鹽排斥。
有問題不可怕，關鍵在于如何解決問題呢？
一個可以考慮的策略就是，將現有兩種石墨烯膜的制備策略結合起來，將納米多孔石墨烯進行堆疊形成二維限域納米通道，兼具納米多孔單層石墨烯膜和堆疊GO膜的優點。這種設計的理論優勢在于：1）納米孔邊緣上的官能團將用作間隔物以保持層間通道開放。2）水不僅會穿過每層的面內納米孔，還會滲透通過夾層通道。這種材料整合了多種排斥機制，應該會具有更高的選擇性。其水通量會比單層石墨烯膜略低，但是堆疊的GO膜更高。
另一個策略就是引入更多全新的二維材料。例如，具有垂直于平面取向的~0.5 nm的均勻孔的二維沸石納米片就是用于水-鹽分離的理想材料。MoS2納米片之間具有更強的范德華相互作用，并且可以通過形成堆疊的多孔石墨烯-MoS2復合結構來控制堆疊的石墨烯基膜的溶脹。
總之，這項研究工作為石墨烯基納濾膜的規模化制備帶來了全新的啟發，為石墨烯和海水淡化領域帶來了新的活力。
作者簡介：
袁荃，武漢大學教授。主要研究方向為多功能納米材料的設計與制備、基于DNA的納米復合材料在生物醫學領域的應用以及基于稀土發光納米材料的分析檢測和生物成像。科技部重點研發計劃納米專項青年項目首席科學家（2017），教育部長江學者青年學者（2015），第二批中組部青年拔尖人才支持計劃（2015），國家自然基金委優秀青年科學基金（2014）。
課題組主頁：http://quanyuan.whu.edu.cn/index.html
參考文獻：Yanbing Yang, XiangdongYang, uan Yuan, Xiangfeng Duan et al. Large-areagraphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration. Science 2019, 364, 1057-1062.
https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1057
