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，中國科學院上海應(yīng)用物理研究所方海平團隊、上海大學吳明紅團隊、南京工業(yè)大學金萬勤團隊和浙江農(nóng)林大學學者合作，提出并實現(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，并用理論計算、上海光源的X射線小角散射（BL16B1）和精細吸收譜（BL14W1）實驗闡明了機理，相關(guān)論文發(fā)表在Nature上。

　　對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發(fā)生溶脹導致分離性能嚴重衰減。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。方海平團隊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，并進行了相應(yīng)的理論模擬計算加以驗證。他們還利用上海光源的X射線小角散射（BL16B1）、精細吸收譜（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于不同大小的“橋墩”，對應(yīng)不同的層間距。吳明紅團隊在方海平等協(xié)助下通過實驗，實現(xiàn)并觀測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，不同離子對應(yīng)的間距差異小于十分之一納米；當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入石墨烯膜。因此，通過離子選擇可以實現(xiàn)對石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制。金萬勤團隊在方海平團隊理論模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計制備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯復合膜，從實驗上實現(xiàn)了不同離子間的精確篩分；對具有最小水合直徑的鉀離子，由于鉀離子的水合層較弱，進入石墨烯膜后水合層發(fā)生形變，導致特別小的層間距。經(jīng)過鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進入，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，實現(xiàn)一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果。研究團隊申請了相應(yīng)的國內(nèi)和PCT專利。

　　研究工作得到了國家自然科學基金委、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。