石墨烯納米篩/碳納米管納濾膜

金萬勤

南京工業(yè)大學(xué)，材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211816

近年來，納濾膜在水質(zhì)凈化、石油化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。單原子層厚的二維材料是構(gòu)建高性能納濾膜的理想構(gòu)筑單元1。大量研究集中在調(diào)控疊層二維材料膜的層間距實(shí)現(xiàn)水和離子的精確篩分2。同時(shí)，在二維材料面內(nèi)構(gòu)筑納米孔進(jìn)行分離也是這些年的研究熱點(diǎn)。然而，目前實(shí)驗(yàn)研究僅局限于對(duì)小面積(微米尺度)原子層厚納米孔二維材料膜的概念性驗(yàn)證3。如何將該類膜大面積化并保留其優(yōu)異的分離性能是滿足實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。大面積石墨烯內(nèi)部存在很多晶界，會(huì)降低石墨烯的機(jī)械性能，引入納米孔的過程將會(huì)進(jìn)一步降低機(jī)械性能，導(dǎo)致膜容易發(fā)生局部破裂，極大地降低分離選擇性4。因此，將納米孔二維材料膜應(yīng)用于分離過程研究面臨著兩大挑戰(zhàn)：(1)如何大面積制備具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和柔性的分離膜；(2)如何在膜內(nèi)部引入高密度均一孔徑分布的亞納米孔，實(shí)現(xiàn)水分子的快速透過和鹽離子/有機(jī)分子的有效截留。

為了解決這些問題，袁荃教授和段鑲鋒教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表題為《大面積高強(qiáng)度石墨烯納米篩/碳納米管復(fù)合膜在離子和分子納濾中的應(yīng)用研究》的文章5。該工作利用具有優(yōu)異機(jī)械性能的碳納米管膜將石墨烯納米篩分割成多個(gè)微區(qū)域并作為微尺度的框架來支撐石墨烯，保留了石墨烯納米篩優(yōu)異的機(jī)械性能和石墨烯納米篩在大面積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。采用介孔氧化硅作為制備石墨烯納米篩的多孔掩模板，保證了石墨烯納米篩內(nèi)部孔徑分布的均一性。分離性能研究表明，石墨烯納米篩/碳納米管復(fù)合膜對(duì)鹽離子如Na+，K+和Mg2+的截留率可以達(dá)到85%以上，對(duì)有機(jī)分子的截留率高達(dá)99%；同時(shí)水滲透性高達(dá)110.6 L·m-2·h-1·bar-1(1 bar = 100 kPa)，是傳統(tǒng)商品化膜和文獻(xiàn)報(bào)道的石墨烯基膜的10-100倍，克服了商品化膜無法兼顧高滲透性和選擇性的問題。此外，石墨烯納米篩/碳納米管復(fù)合膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能，在彎曲形變下仍然可以保持優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性、水滲透性和分離選擇性，為構(gòu)造膜組件提供了一種可能。

該項(xiàng)研究構(gòu)建的超薄石墨烯納米篩/碳納米管復(fù)合膜克服了納米孔二維材料膜在機(jī)械強(qiáng)度和分離精度上的局限性，是二維材料膜領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展，為二維材料膜的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。相信在這個(gè)工作基礎(chǔ)之上，將會(huì)涌現(xiàn)更多優(yōu)異性能的二維材料分離膜。