《Nature》发文报道离子精确“装订”石墨烯膜用于离子筛分 和海水淡化研究取得重大突破



近期,我校吴明红教授团队在石墨烯研究领域取得了重大突破。2017年10月9日,《Nature》 杂志在线发表了题为“通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究论文。研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距,展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。

该工作由上海大学吴明红团队、中国科学院上海应用物理研究所方海平团队、南京工业大学金万勤团队以及浙江农林大学的研究人员发挥各自优势一起联合攻关完成。

精确控制石墨烯膜的层间距在环境、能源材料等领域具有重要意义,尤其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用领域中起到关键作用。对于石墨烯纳米片,要实现其层间距固定并精确到十分之一纳米这么小的尺度,其困难可想而知,更具挑战的是,石墨烯膜在水溶液中还会发生溶胀导致分离性能严重衰减。一直以来,研究者们利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍难以如愿。

研究提出了溶液中离子本身可以有效控制(氧化)石墨烯膜的层间距,并进行了相应的理论模拟计算加以验证。同时利用上海光源的X射线小角散射(BL16B1)、精细吸收谱(BL14W1)以及紫外等表征手段证明了离子与石墨烯片层内芳香环结构之间存在水合离子-π相互作用。这样的作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层,精确控制了石墨烯膜的层间距,而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”,进而对应于不同的层间距。

通过实验成功实现并观测到石墨烯膜与不同的离子溶液作用后具有特定的层间距,这样的间距可以小到一纳米左右,而不同离子对应的间距差异小于十分之一纳米;当石墨烯膜与水合直径小的离子溶液结合后,具有更大水合直径的离子就难以进入石墨烯膜。因此,通过离子选择可以实现对石墨烯膜的层间距达十分之一纳米的精确控制。此外,通过系列水合离子控制的多石墨烯复合膜,从实验上实现了不同离子间的精确筛分。

上海大学为论文第一单位,吴明红教授和她的2014级博士生陈亮同学分别为论文的共同通讯作者和第一作者,2014级硕士生彭兵权同学为并列第一作者,参与此项工作的吴明红团队成员还有徐刚教授、硕士生王佳俊、李德远、钱哲同学等。

该研究得到了国家自然科学基金委、教育部创新团队、科技部、中国科学院、上海光源、北京超算中心、广州超算中心以及上海超算中心的经费支持。

文章全文链接:https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature24044



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