打印中国科学院上海高等研究院曾高峰研究员团队与上海大学石国升教授团队合作在海水快速脱盐领域的研究取得突破，相关成果9月4日以 “Ultrahigh-water-flux desalination on graphdiyne membranes”为题发表在《自然-水》(Nature Water)期刊上。上海高研院博士生陈慧玲、上海大学副研究员刘星博士和上海高研院博士生宫典为共同一作。上海高研院为第一完成单位。
淡水资源短缺已成为全球性的问题，2023年度的《联合国世界水发展报告》指出全球有20-30亿人正身处缺水困境。运用膜分离技术对海（盐）水进行脱盐淡化是增加淡水供给、缓解水资源短缺的先进技术手段。但是，高脱盐率与高水通量作为膜分离的一对“跷跷板”指标难以兼得。因此，高通量海水淡化膜与原油精确分离、海水提铀、烷烯分离、稀土精分、温室气体大气捕获一道被誉为“改变世界的七项分离技术”。
在探寻高通量新型膜材料的研究中，材料学家通过理论计算预测纳米碳管膜、石墨烯膜等石墨类新兴材料具有低传输阻力和高水（蒸汽）通量。然而，因为石墨类膜材料的制备条件苛刻、复杂，难以实现材料的本征性能，所以实际脱盐性能远低于理论值。以纳米碳管膜为例，直接生长法从含碳气源到碳管的过程为高温气相沉积，极难获得尺寸均一的碳管内径和碳管间隔，而以碳管为“建材”的多步构膜法则受制于碳材料间的弱相互作用和低机械强度。
为有效解决这些问题，曾高峰研究员团队在二维碳膜材料（Nat Commun 2017, 8, 825; Adv Mater 2018, 30, e1705775; Appl Catal B-Environ 2021, 299, 120682; ACS Cent Sci 2019, 5, 1834; ACS Nano 2021, 15, 9871; Chem Eng J 2022, 441, 135996）和共轭框架材料（Nat Commun 2023, 14, 3800; Angew Chem Int Ed 2023, e202304356; Angew Chem Int Ed 2022, 61, e202213522; Carbon Energy 2023, 5, e303; Adv Funct Mater 2023, 2302637）的研究基础上，历时近五年时间，开发了一种温和条件下原位合成石墨二炔复合膜材料的方法，实现了超高水通量的海水脱盐。石墨炔，作为一种新型碳晶体框架材料，具有类石墨表面与二维拓扑结构，与石墨烯不同的是石墨炔可以通过溶剂热法从单体直接合成，条件温和可控。在该研究中，他们以多孔铜中空纤维为复合膜载体，在低于100oC的溶剂热条件下利用载体表面的铜源作为催化剂，通过双炔偶联反应从六乙炔基苯单体直接催化合成石墨二炔/铜中空纤维复合膜。在真空膜蒸馏测试中发现，石墨二炔复合膜对近似海水盐度的氯化钠溶液具有接近完全的脱盐率（>99.9%），更重要的是，水通量达到740 L/m2/h，比传统聚合物膜的水通量高出一到三个数量级，也远高于分子筛膜、金属有机框架膜、及石墨烯基膜。同时，石墨二炔的导热系数比石墨类材料低三个数量级，更有利于热梯度驱动的膜分离过程。进一步的理论计算表明，对于单层石墨二炔与盐水体系，在盐水与石墨二炔界面、盐水与蒸汽界面均存在纯水分子层，
含有盐离子，因此，通过界面分离作用在理论上可获得完全的脱盐率。对于双层石墨二炔通道模型的研究表明，盐离子在通道中的传输数量为零，而水（蒸汽）在通道中的传输速率则达到数千L/m2/h，与实验测量的趋势一致。
石墨炔材料作为一类新型的共轭碳框架晶体材料家族，依据单体中心基团的不同具有丰富的结构和性质变化，由我国科学家李玉良院士于2010年首次成功合成，是有“中国原创”标签的新型材料。并且，基于石墨炔的双炔偶联概念可以进一步获得更为丰富的类石墨炔碳框架晶体材料。因此，该工作将石墨二炔引入膜分离领域，成功合成石墨二炔复合膜并验证其高效脱盐性能，将为石墨炔与类石墨炔材料在膜分离领域的应用提供参照样本与方法论。因此，《自然-水》邀请了国际知名无机膜专家Z. Lai教授对该研究进展同期发表了“Graphdiyne membranes for ultrafast desalination”的观点评述（Views）。
图 (A) 石墨二炔复合膜的制备示意图，(B) 载体与复合膜，(C) 高分辨结果，(D) 脱盐性能，(E) 性能比较，(F) 离子影响与真实海水性能，(G) 气液固界面示意图与(H) 盐离子界面分布密度，(I) 石墨二炔双层通道的盐离子与水的渗透性能。
该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委自然科学基金、国科大等项目的资助。理论计算工作由上海大学石国升教授团队完成，材料表征、机理验证等方面得到了上海科技大学、南京工业大学等团队的支持。