Nature Communications
打破石墨烯基膜阴阳离子协同传输的静电诱导离子约束分配策略，用以提高海水淡化效果
近几十年来，用二维氧化石墨烯纳米片构造纳米层压薄膜引起了人们极大兴趣。然而，目前石墨烯基膜面临的一个主要挑战是，由于膨胀引起的弱纳米约束以及阴阳离子的跨膜协同运输，它们对单价盐的截留性性很差。
2024年5月21日，大连理工大学全燮教授（国家杰出青年科学基金获得者）团队在Nature Communications期刊发表题为“Electrostatic-induced ion-confined partitioning in graphene nanolaminate membrane for breaking anion–cation co-transport to enhance desalination”的研究论文，团队成员张海光、Xing Jiajian为论文共同第一作者，全燮教授为论文通讯作者。
该研究提出了一种在还原氧化石墨烯膜中进行静电诱导离子约束分配策略，以打破阴阳离子的相关性，抑制阴阳离子的协同传输，从而大幅提高海水淡化性能。在压力驱动条件下，膜对NaCl的截留率为95.5%，水渗透率为48.6L·m−2·h−1·bar−1；在渗透驱动条件下，膜对盐的截留率为99.7%，水通量为47.0L·m−2·h−1，优于已有报道的石墨烯基膜的性能。模拟和计算结果揭示了膜的强静电吸引力迫使水合Na+发生脱水并被完全约束在纳米通道中，从而加强了纳米通道内阴离子/阳离子的分配，避免了阴离子-阳离子的动态相关性，从而阻止了阴离子和阳离子通过膜的协同传输。这项研究为设计先进的海水淡化膜提供了指导，并启发了未来膜分离技术的发展。
研究人员将聚苯乙烯磺酸钠（PSSNa）组装到胺交联的还原型GO（rGO）纳米层压板中，构建了一种阳离子约束的ArGO-PSSNa膜，并提出了一种静电诱导的离子约束分配策略，以在保持高水渗透性的同时提高单价离子截留能力。通过同步的rGO层间约束和PSSNa嵌入式阳离子亲和作用，抗衡离子（阳离子）可以被限制在纳米层中，以增强纳米通道内阴离子/阳离子的分配，从而显著提高单价盐的截留能力。因此，在压力驱动过程中，该膜的渗透率为48.6L·m−2·h−1·bar−1，对5mM NaCl的截留率为95.5%，优于已有报道的其他石墨烯基纳米层压膜。此外，在渗透驱动条件下，该膜对0.5M NaCl的截流率为99.7%，水通量为47.0L·M−2·h−1，优于近期研究中报道的膜。这项证研究明，膜内离子分配调节是抑制阴阳离子相关协同传输以提高拒盐性能的有效策略。
总之，该研究设计并构建了一种阳离子约束的ArGO-PSSNa纳米层压膜，该膜结合了rGO层间约束和磺酸基强阳离子亲和性的功能，从而显著增强了纳米通道内阴离子/阳离子的分配，提高了拒盐性能。由于PSSNa的嵌入作用，该膜具有皱褶丰富的微观结构，形成了具有高表面自由能的发达孔隙纳米通道，赋予膜高电负性和亲水性。其透水性达到48.6L·m-2·h-1·bar-1，分别是GO膜和rGO膜的4.5倍和25.6倍。同时，由于ArGO-PSSNa纳米通道具有很强的阳离子约束性，因此阴离子/阳离子分离效果显著，对NaCl的截留率高达95.5%，明显高宇之前报道的基于GO的膜。此外，还证明了该膜在渗透驱动条件下具有99.7%的高盐截留率，水通量为47.0L·m−2·h−1，优于近期研究中报道的膜。该研究提出了石墨烯诱导的快速水传输特性和静电诱导的离子约束分配效应的同步调节策略，为同时实现高透水性和高脱盐性能提供了一种有效的方法，有望帮助基于膜的选择性水或离子纳米通道的预测性设计。
通过分子动力学MD模拟和密度泛函理论DFT计算，发现PSS-Na+和rGO-Na+的协同静电吸引相互作用会诱导水合Na+发生离子脱水，从而使Na+被强烈限制在纳米通道中，增强了阴离子/阳离子分配效应。这就打破了阴阳离子的动态相关性，抑制了自由移动阴阳离子对的形成，从而阻止了阴阳离子的跨膜协同传输现象，从而提高了拒盐性能。研究人员将离子截留性能与离子-膜吸引相互作用、离子脱水、离子分区、离子协同传输行为和离子能垒全面联系起来，从而对膜脱盐机理有了实质性的深入理解。需要强调的是，精确调节膜纳米通道和离子-膜相互作用是同时满足快速水渗透、纳米通道内阳离子约束以及阴离子和盐排出的必要条件。未来的工作可能涉及离子约束膜的设计以及膜通道与各种离子之间内在关系的探索。该研究结果可为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提供指导。
特别声明：百盛水工业转载其他网站内容，出于传递更多信息而非盈利之目的，同时并不代表赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权归原作者所有，若有侵权，请联系我们删除。
凡作者注明百盛水工业的内容为浙江百盛水工业设备股份有限公司原创，转载需获授权。