離子精確“裝訂”石墨烯膜可用于離子篩分和海水淡化

　　精確控制（氧化）石墨烯膜的層間距，達(dá)到十分之一納米精度，是其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應(yīng)用的關(guān)鍵。近日，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所方海平團(tuán)隊(duì)、上海大學(xué)吳明紅團(tuán)隊(duì)、南京工業(yè)大學(xué)金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)和浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)者合作，提出并實(shí)現(xiàn)了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距，展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能，并用理論計(jì)算、上海光源的X射線小角散射（BL16B1）和精細(xì)吸收譜（BL14W1）實(shí)驗(yàn)闡明了機(jī)理，相關(guān)論文發(fā)表在Nature上。

　　對(duì)像紙一樣的石墨烯納米片，要精確“裝訂”成石墨烯膜，保證其層間距固定并精確到十分之一納米這么小的尺度，其困難可想而知。更具挑戰(zhàn)的是，石墨烯膜在水溶液中會(huì)發(fā)生溶脹導(dǎo)致分離性能?chē)?yán)重衰減。研究人員曾利用納米技術(shù)操控、膜間修飾小分子等技術(shù)做了諸多努力但仍不能如愿。方海平團(tuán)隊(duì)在水合離子與芳香環(huán)結(jié)構(gòu)上π電子相互作用的系列工作的基礎(chǔ)上，提出了溶液中離子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的層間距，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論模擬計(jì)算加以驗(yàn)證。他們還利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細(xì)吸收譜（BL14W1）以及紫外等表征手段，證明了離子與石墨烯片層內(nèi)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)之間存在水合離子-π相互作用。這樣的作用像“橋墩”一樣支撐石墨烯片層，精確控制了石墨烯膜的層間距，不同大小的水合離子相當(dāng)于不同大小的“橋墩”，對(duì)應(yīng)不同的層間距。吳明紅團(tuán)隊(duì)在方海平等協(xié)助下通過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到石墨烯膜與不同的離子溶液作用后確有特定的層間距，間距可小到一納米左右，不同離子對(duì)應(yīng)的間距差異小于十分之一納米；當(dāng)石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結(jié)合后，具有更大水合直徑的離子難以進(jìn)入石墨烯膜。因此，通過(guò)離子選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯膜的層間距達(dá)十分之一納米的精確控制。金萬(wàn)勤團(tuán)隊(duì)在方海平團(tuán)隊(duì)理論模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯復(fù)合膜，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了不同離子間的精確篩分；對(duì)具有最小水合直徑的鉀離子，由于鉀離子的水合層較弱，進(jìn)入石墨烯膜后水合層發(fā)生形變，導(dǎo)致特別小的層間距。經(jīng)過(guò)鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進(jìn)入，有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內(nèi)的所有離子，還能維持水分子通過(guò)，實(shí)現(xiàn)一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果。研究團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)了相應(yīng)的國(guó)內(nèi)和PCT專(zhuān)利。

　　研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部、上海光源以及上海超算中心、中科院北京超算中心和廣州超算中心的資助。