大连理工大学「国家杰青」团队，唯一单位新发Nature子刊！

研究背景

构建由二维氧化石墨烯（GO）纳米片组成的纳米层状膜是水净化和化学分离技术领域的一项创新。由于GO膜具有优异的水传输性能和高选择性筛分能力，成为近年来的研究热点。然而，GO膜在实际应用中面临一个关键挑战：对单价盐离子的拒绝率较低，通常在10-60%之间。这主要是由于GO膜在水溶液中容易发生膨胀，导致层间空间的纳米限域性减弱，进而使离子更容易穿透膜。这种膨胀现象削弱了膜的离子屏障能力，严重制约了GO膜在脱盐领域的应用前景。

有鉴于此，科学家们提出了多种策略来解决GO膜的膨胀问题。例如，通过交联或插层化学来控制GO膜的层间距离，从而限制其膨胀。然而，这些方法通常会导致膜的水渗透性显著下降，不能同时实现高水通量和高离子拒绝率。因此，如何在保持高水渗透性的同时显著提高单价离子拒绝率，成为了研究人员面临的主要瓶颈。

研究背景

为了克服这一挑战，大连理工大学全燮教授等人（国家杰出青年科学基金获得者，水环境保护与治理专家）提出了一种静电诱导的离子限域分离策略，旨在增强GO膜的单价离子拒绝性能。具体来说，他们将聚苯乙烯磺酸钠（PSSNa）组装到还原氧化石墨烯（rGO）纳米层状结构中，构建出一种阳离子限域的ArGO-PSSNa膜。通过这种方法，膜内形成了强静电吸引力，使得水合钠离子脱水并被限域在纳米通道内，从而实现了通道内的阴阳离子分离。这种设计不仅有效地抑制了阴阳离子的共同运输，还显著提高了膜的单价盐拒绝率。相关研究在Nature Communications期刊上发表了题为“Electrostatic-induced ion-confined partitioning in graphene nanolaminate membrane for breaking anion–cation co-transport to enhance desalination”的最新论文。

实验结果显示，采用这一策略的ArGO-PSSNa膜在压力驱动条件下，对5 mM NaCl的拒绝率达到95.5%，水通量为48.6 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹。此外，在渗透驱动条件下，该膜对0.5 M NaCl的拒绝率高达99.7 %，水通量为47.0 L m⁻² h⁻¹，性能明显优于当前已报道的其他基于石墨烯的纳米层状膜。这一研究成果表明，静电诱导的离子限域分离策略在提高脱盐膜性能方面具有显著的优势，为未来高性能膜材料的设计提供了新的思路。

科学亮点

1.本文首次提出了一种通过电荷相互作用在还原氧化石墨烯膜中实现离子限域分离的策略。通过将聚苯乙烯磺酸钠（PSSNa）引入胺交联的还原氧化石墨烯（rGO）纳米层状结构中，成功构建了一个阳离子限域的膜结构。这种创新的策略通过调节膜内的阴阳离子分配，实现了阻止阴阳离子的共同运输，从而大幅提高了盐拒绝率。

2.本文构建的ArGO-PSSNa膜不仅具有高水渗透性，还在维持高通量的同时显著提高了对单价盐的拒绝率。压力驱动和渗透驱动两种条件下的实验结果均表明，该膜拥有优异的水通量和盐拒绝性能，远超过已报道的石墨烯基膜。这突破了以往对于石墨烯膜的盐拒绝性能的限制，为高效脱盐提供了新的解决方案。

3.通过模拟和计算分析，本文深入探讨了膜内离子的分布和运输机制。结果显示，膜内强电荷吸引力导致水合钠离子脱水并被限域在纳米通道中，从而增强了通道内的阴阳离子分离效应。这一研究揭示了离子在纳米通道中的动态行为，为进一步优化膜结构和性能提供了深刻的理论指导。

4.本文的研究不仅提供了一种新颖的离子分离策略，还为设计高性能膜提供了新的思路和方法。通过调控膜内离子分布和运输行为，可以有效地提高膜的盐拒绝性能，推动膜分离技术向更高效、更环保的方向发展。这为解决水资源紧缺和环境污染等问题提供了重要的技术支持和解决方案。

图文解读

图1：ArGO-PSSNa膜的制备和结构。

图2. rGO-PSSNa膜的结构和性能表征。

图3. 膜性能评估。

图4：rGO和ArGO-PSSNa纳米通道中离子分布和传输行为的模拟。

图5：渗透驱动膜过程的性能和机制。

图6：ArGO-PSSNa膜与离子之间的相互作用。

研究结论

本项研究创新地提出了一种通过电荷相互作用调控离子分离的策略，通过构建阳离子限域的ArGO-PSSNa纳米层状膜，成功实现了对纳米通道内阴阳离子的有效分离，从而显著提高了膜的盐拒绝性能。

此外，通过理论模拟和计算分析揭示了膜内离子分布和运输机制，深入理解了离子与膜相互作用、离子脱水、离子分离等关键过程。这为膜分离技术的优化和设计提供了新思路和方法，有望推动膜分离技术向更高效、更环保的方向发展。

此外，本研究突破了传统对石墨烯膜盐拒绝性能的限制，同时实现了高水透过性和高脱盐性能，为解决水资源紧缺和环境污染等问题提供了有力支持。这些成果对于开发基于膜的纳米流体传输和离子分离过程的原理和技术具有重要意义，为相关领域的未来研究提供了新的方向和启示。

文献信息

Zhang, H., Xing, J., Wei, G. et al. Electrostatic-induced ion-confined partitioning in graphene nanolaminate membrane for breaking anion–cation co-transport to enhance desalination. Nat Commun 15, 4324 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48681-8

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