近日，中科院低碳转化科学与工程重点实验室曾高峰研究员团队在石墨烯复合膜的改性与结构调控及在海水淡化中的分离机理的研究取得新进展。该工作以“Interfacial Ions Sieving for Ultrafast and Complete Desalination through 2D Nanochannel Defined Graphene Composite Membranes”为题发表在《美国化学会纳米》 (ACS Nano)上。 

二维石墨烯基材料，如氧化石墨烯（GO），因其接近单原子厚度、可调控的纳米结构以及不易降解结垢的特性，在膜分离领域取得了大量研究成果。但是，GO膜在小离子脱盐中并没有优异性能，这是因为GO片层的亲水性和层间弱相互作用会阻碍水传输并易溶胀。而石墨烯不仅具有二维结构，其具有憎水光滑低阻表面，使其在脱盐方面具有很大潜力。 

该团队在前期膜材料研究基础上（ACS Cent Sci 2019, 5, 1834; Adv Mater 2018, 1705775; J Membrane Sci 2018, 552, 13; Nat Commun2017, 8, 825; Chem Eng J 2017, 313, 957），开发了一种简单易行的硫醇-烯点击法制备全氟烷基接枝石墨烯（fGraphene）复合膜，其片层通道被精确控制在~1.1 nm。在接触式膜蒸馏测试中，fGraphene膜对盐水小离子具有近乎完全的脱盐率，而水通量则达到30 LMH，比商用膜和GO膜高数十倍（图1）。fGraphene膜优异的快速离子脱除性能归因于其独特的双重传质孔道网络，即大部分液态水不经过相变直接从二维纳米通道界面传输。这项工作首次展示了在堆叠态多层石墨烯基膜上能够实现高效脱盐，提供了石墨烯膜功能化的可靠方法，揭示了一种特殊的传输机理，也为石墨烯材料在膜分离领域的更多潜在应用提供了可能。 

图 1 fGraphene膜界面筛分示意图及不同浓度NaCl溶液的水通量 

论文第一作者为我院博士生宫典、硕士生印一忱和陈慧玲。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院青促会和上海市科委等项目的资助。 

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c00987