上海訊    近日，華東理工大學理學院物理系研究團隊在國際知名刊物Journal of Materials Chemistry A (影響因子11.301)，以“Ultrahigh water permeation with high multivalent metal ions rejection rate through graphene oxide membranes”為題在線發(fā)表了最新研究成果。該工作通過探究高價態(tài)金屬離子水合結(jié)構(gòu)在氧化石墨烯膜通道內(nèi)的結(jié)構(gòu)型變的物理機理，實現(xiàn)了對高價態(tài)離子在保持高截留率的同時實現(xiàn)超高水通量的應用，具有良好的工業(yè)化應用前景。

石墨烯（Graphene）是由碳原子形成的蜂窩狀平面薄膜，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。石墨烯因其獨特的二維結(jié)構(gòu)，擁有諸多突出的物理及化學性質(zhì)，在能源、材料、電子、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用價值，人們也希望利用石墨烯基二維材料構(gòu)筑高性能分離膜，但是，石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化仍面臨巨大挑戰(zhàn)，一般認為在離子的截留率較高的條件下，水通量較低。?

圖片說明：氧化石墨烯膜對高價態(tài)金屬離子的截留性能

華東理工大學理學院研究團隊與浙江農(nóng)林大學、浙江省輻射環(huán)境監(jiān)測站合作，通過對高價態(tài)金屬離子水合結(jié)構(gòu)在氧化石墨烯膜受限空間內(nèi)的物理機制的理解，提出優(yōu)化氧化石墨烯膜的制備過程的方法。制備得到的氧化石墨烯膜在對高價態(tài)離子截留時，保持了非常高的高價態(tài)離子截留率（為99.9 ± 0.1%），同時水通量可達75 ± 2 L m^?2 h^?1 bar^?1，超越所有現(xiàn)有報道的傳統(tǒng)的納濾膜以及其他先進的二維膜在處理高價態(tài)離子時的水滲透性能，突破了此前方法得到的氧化石墨烯膜在離子截留率和選擇性的瓶頸。

本工作是基于華東理工大學理學院方海平教授團隊在水合離子與芳香環(huán)結(jié)構(gòu)上π電子相互作用的長期系列工作(Sci. Rep. 2013, 3, 3436; Sci. Rep. 2014, 4, 6793; Phys. Rev. Lett.;2015, 115, 164502;Phys. Rev. Lett.;2018, 121, 226102)，尤其是基于水合離子-π作用精確“裝訂”氧化石墨烯膜并調(diào)控的起層間距(Nature 2017, 550, 380-383)等工作的基礎(chǔ)上開展的。理論計算表明，由于氧化石墨烯膜內(nèi)的高價態(tài)水合離子與氧化石墨烯片層之間的強水合離子-π作用，高價態(tài)離子在膜內(nèi)的水合離子尺寸會被壓縮，略小于該高價態(tài)水合離子在水中的尺寸，擋住了該高價態(tài)水合離子本身在膜內(nèi)的通過（實現(xiàn)“高價態(tài)離子自截留”），同時又使得氧化石墨烯膜內(nèi)的通道保持在一個較大的水平，呈現(xiàn)出對水的高滲透性能。

該論文由華東理工大學理學院方海平教授團隊的骨干教師梁珊珊博士以及浙江農(nóng)林大學陳亮教授為共同通訊作者合作完成，得到了國家自然科學基金委以及中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金等項目的資助和支持。（梁珊珊）