武汉大学最新Science:高效的纳米滤膜

【引言】

海水的脱盐和净化是持续获得洁净水源的理想途径之一。在这样的背景下，具有原子级厚度的纳米孔二维材料因其表现出高效的分离性能以及高度的透过率而被认为是制备超薄水处理薄膜的潜在材料。理论计算预言，单层纳米孔二维薄膜可以提供超快的水渗透和选择性分离性能。实验研究也已经表明，纳米孔石墨烯薄膜在脱盐处理方面具有良好的表现。然而，目前的此类石墨烯材料的制备还限制在微米尺度。因为随着石墨烯面积的增大，面内晶界的存在和严重削弱材料的机械性能，致使在引入孔的过程中进一步破坏单层石墨烯的结构完整性，从而在分子水平上失去分离溶质离子和水分子的功能。因此，如何有效制备具有足够机械强度的大面积纳米孔二维薄膜依然是亟待解决的问题。

【成果简介】

武汉大学的袁荃教授和加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授（共同通讯作者）等人报道研制了大面积石墨烯-纳米网/单壁碳纳米管（GNM/SWNT）杂化膜。这种膜在拥有原子级厚度的同时，还具备优异的机械强度。其中，单层的GNM具有高密度的亚纳米孔，可在有效输运水分子的同时阻断溶质离子或者分子，呈现出尺寸选择性分离性能。而SWNT网络形成了可以支撑GNM的微框架，并同时将GNM隔离成微尺度岛状区域，进一步保证了原子级厚度GNM的结构完整性。这一GNM/SWNT杂化膜展现出高水渗透性以及对盐离子或者有机分子的选择性分离，在进一步的管式模型中也保持着稳定的性能。2019年06月14日，相关成果以题为“Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration”的文章在线发表在Science上。

【图文导读】

图1 GNM/SWNT杂化膜进行高效水脱盐处理示意图

图2 GNM/SWNT杂化膜的制备和结构表征

图3 机械性能分析

图4 水脱盐性能评价

图5 管式模型中弯曲膜的水脱盐表现

文献链接：Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aau5321）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿。

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