近年來，以氧化石墨烯(GO)為代表的二維膜制備及其在分子尺度的篩分研究成為分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但GO膜在水相體系中存在結(jié)構(gòu)及性能不穩(wěn)定性，對環(huán)境變化較為敏感，從而限制其實(shí)際應(yīng)用。

另外，GO膜的研究目前主要集中在水相體系中，而一些特定的生物或藥物領(lǐng)域所使用的手性分離膜，需要在非水相體系中實(shí)現(xiàn)對應(yīng)異構(gòu)體的高效分離。

具有類似GO膜特性的GCN基分離膜的性能探究目前尚處于初級(jí)階段，而如何充分發(fā)揮其層間距和層間環(huán)境可調(diào)的特性、化學(xué)惰性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的納米尺度下的選擇性滲透亟待研究。

相關(guān)研究成果以Graphite phase carbon nitride based membrane for selective permeation 為題，于6月7日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2019, 10, 2500)。論文的第一作者是中國科大博士研究生王洋。

GCN共軛平面結(jié)構(gòu)中具有確定分布的氮原子，氮上的孤電子可以被強(qiáng)質(zhì)子酸(比如硫酸，SA)質(zhì)子化，而強(qiáng)酸陰離子可以同時(shí)嵌入到GCN的納米片層之間，并可在亞納米尺度精確調(diào)控層間距離。

GCN-SA復(fù)合納米結(jié)構(gòu)使可供分子/離子自由進(jìn)出的有效層間距增大10.8埃。研究人員發(fā)現(xiàn)這種質(zhì)子化的GCN與酸根離子之間的靜電作用使得制備出的納米復(fù)合物及納米級(jí)厚度的薄膜非常穩(wěn)定且具有兩親性。

具有匹配尺寸的待分離物種可以選擇性通過GCN-SA薄膜中陰離子支撐的層空間，并表現(xiàn)出明確的溶質(zhì)分離截?cái)喟霃?，從而在亞納米尺度下實(shí)現(xiàn)對不同尺寸和電荷的分子/離子的精準(zhǔn)篩分(圖1)。

圖1.(a)強(qiáng)酸陰離子嵌入質(zhì)子化的GCN進(jìn)行層間距精準(zhǔn)調(diào)控示意圖。R-SO3代表Bronsted酸根離子；(b)GCN-SA薄膜對不同尺寸的溶質(zhì)分子的篩分效應(yīng)示意圖；(c)納米級(jí)厚度GCN-SA薄膜在亞納米尺度下的精準(zhǔn)篩分性能，內(nèi)置圖為不同溶質(zhì)的截留率和水合半徑之間的關(guān)系。

研究人員繼續(xù)利用這一概念，通過引入手性樟腦磺酸(CSA)，在GCN質(zhì)子化和離子嵌入層間的過程中，一方面實(shí)現(xiàn)對層間距進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，另一方面改變層間化學(xué)環(huán)境，引入手性位點(diǎn)。

研究結(jié)果顯示，GCN-CSA手性分離膜對不同分離物種具有明確的截?cái)喾肿恿浚幌盗袑τ钞悩?gòu)體在GCN-CSA薄膜中的滲透表現(xiàn)出較好的選擇性，并可通過優(yōu)化參數(shù)得到檸檬烯對映體過量值為89%的高效選擇性滲透(圖2)。

圖2.(a)GCN基手性分離膜對不同對映異構(gòu)體的立體選擇性滲透示意圖；(b-d)GCN-CSA薄膜對檸檬烯外消旋體進(jìn)行(b-c)等壓和(d)給壓滲透，F(xiàn)eed端和Permeate端溶液的CD信號(hào)強(qiáng)度隨滲透時(shí)間的變化。

綜上，這項(xiàng)工作闡述了惰性GCN的普適性功能化策略，為精確調(diào)控二維材料的層間距和層間化學(xué)環(huán)境提供新的研究思路，實(shí)現(xiàn)了GCN基分離膜在亞納米尺度下的精準(zhǔn)篩分和立體選擇性滲透性能，并使二維材料基手性分離膜在一些特定領(lǐng)域(如制藥和生物)的應(yīng)用成為可能。

該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中央高校基本科研專項(xiàng)資金和安徽省自然科學(xué)基金的資助。