元素百科为您介绍离子精确“装订”石墨烯膜可用于离子筛分和海水淡化。在水处理、离子/分子分离、电池/电容等应用中，准确控制(氧化)石墨烯膜的层间距，达到纳米精度的十分之一。近日，中国科学院上海应用物理研究所方海平团队、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队与浙江农林大学学者合作，提出并实现了水合离子本身对石墨烯膜层间距的精确控制，展示了其优异的离子筛分和海水淡化性能，以及上海光源X射线散射（BL16B1）和精细吸收谱（BL14W1）实验，Nature上发表了相关论文。
对于像纸一样的石墨烯纳米片，很难准确地“装订”成石墨烯膜，以确保其层间距固定到纳米尺度的十分之一。更具挑战性的是，石墨烯膜在水溶液中会膨胀，导致分离性能严重下降。研究人员利用纳米技术控制、膜间修饰小分子等技术做出了许多努力，但仍未能如愿。方海平团队在水合离子和芳香环结构上π在电子相互作用系列工作的基础上，提出溶液中离子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的层间距，并进行相应的理论模拟计算进行验证。它们还利用上海光源的X射线小角散射(BL16B1)、精细吸收谱(BL14W1)和紫外线等表征证明了离子与石墨烯片层芳香环结构之间的水合离子-π相互作用。这种作用支撑石墨烯片层，如“码头”，准确控制石墨烯膜的层间距。不同尺寸的水合离子相当于不同尺寸的“码头”，对应不同的层间距。在方海平等的帮助下，吴明红团队实现并观察到石墨烯膜与不同离子溶液之间的特定层间距，间距可小于1纳米，不同离子对应的间距差小于11纳米；当石墨烯膜与水合直径较小的离子溶液结合时，水合直径较大的离子难以进入石墨烯膜。因此，通过离子选择，可以准确控制石墨烯膜的层间距达到纳米的十分之一。在方海平团队理论模型的基础上，金万勤团队设计制备了一系列由水合离子控制的多孔陶瓷支撑的石墨烯复合膜，实现了不同离子之间的精确筛分；对于水合直径最小的钾离子，由于水合层较弱，水合层进入石墨烯膜后变形，导致层间距特别小。用钾离子溶液浸泡的石墨烯膜可以防止水合钾离子本身的进入，有效地拦截盐溶液中所有的离子，包括钾离子本身，并保持水分子通过，从而达到离子溶液和纯水的水处理效果。研究团队申请了相应的国内和PCT专利。
研究工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、科技部、上海光源、上海超级计算中心、北京超级计算中心、广州超级计算中心的资助。
