石墨烯纳米筛/碳纳米管纳滤膜

金万勤

南京工业大学，材料化学工程国家重点实验室，南京 211816

近年来，纳滤膜在水质净化、石油化工、生物医药等领域中发挥着越来越重要的作用。单原子层厚的二维材料是构建高性能纳滤膜的理想构筑单元1。大量研究集中在调控叠层二维材料膜的层间距实现水和离子的精确筛分2。同时，在二维材料面内构筑纳米孔进行分离也是这些年的研究热点。然而，目前实验研究仅局限于对小面积(微米尺度)原子层厚纳米孔二维材料膜的概念性验证3。如何将该类膜大面积化并保留其优异的分离性能是满足实际应用的关键。大面积石墨烯内部存在很多晶界，会降低石墨烯的机械性能，引入纳米孔的过程将会进一步降低机械性能，导致膜容易发生局部破裂，极大地降低分离选择性4。因此，将纳米孔二维材料膜应用于分离过程研究面临着两大挑战：(1)如何大面积制备具有优异机械强度和柔性的分离膜；(2)如何在膜内部引入高密度均一孔径分布的亚纳米孔，实现水分子的快速透过和盐离子/有机分子的有效截留。

为了解决这些问题，袁荃教授和段镶锋教授团队在Science上发表题为《大面积高强度石墨烯纳米筛/碳纳米管复合膜在离子和分子纳滤中的应用研究》的文章5。该工作利用具有优异机械性能的碳纳米管膜将石墨烯纳米筛分割成多个微区域并作为微尺度的框架来支撑石墨烯，保留了石墨烯纳米筛优异的机械性能和石墨烯纳米筛在大面积范围内的结构完整性。采用介孔氧化硅作为制备石墨烯纳米筛的多孔掩模板，保证了石墨烯纳米筛内部孔径分布的均一性。分离性能研究表明，石墨烯纳米筛/碳纳米管复合膜对盐离子如Na+，K+和Mg2+的截留率可以达到85%以上，对有机分子的截留率高达99%；同时水渗透性高达110.6 L·m-2·h-1·bar-1(1 bar = 100 kPa)，是传统商品化膜和文献报道的石墨烯基膜的10-100倍，克服了商品化膜无法兼顾高渗透性和选择性的问题。此外，石墨烯纳米筛/碳纳米管复合膜具有优异的机械性能，在弯曲形变下仍然可以保持优异的结构完整性、水渗透性和分离选择性，为构造膜组件提供了一种可能。

该项研究构建的超薄石墨烯纳米筛/碳纳米管复合膜克服了纳米孔二维材料膜在机械强度和分离精度上的局限性，是二维材料膜领域的一个重要进展，为二维材料膜的发展带来了新的机遇。相信在这个工作基础之上，将会涌现更多优异性能的二维材料分离膜。