Advanced Materials:平面异质的二维层状材料:电场诱导的离子筛分与海水淡化

氧化石墨烯多层膜(GOM)与现今主流的基于膜材料的方法和技术相兼容,而且在材料的可扩展性,化学及物理性质的稳定性等方面显示出极大的优势。因此,关于她的研究吸引了来自诸如水纯化及脱盐,化学传感与分离,能量转换与存储等领域科研人员的广泛关注。原生的和经化学修饰的GOM可以有效地过滤小分子染料和纳米粒子,但是对于小得多的,水合尺寸在9Å以下的无机盐离子却显得无能为力。为了实现更为精确的离子筛分,科研人员提出了一系列策略,例如毛细压缩 [Science 2013, 341, 534]、部分还原 [Nat. Commun. 2014, 5, 4843]、以及阳离子掺杂 [Nature 2017, 550, 380],将GO片层之间的距离压缩至仅有几个Å。这些策略对于实现离子筛分无疑是有效的,然而,这样做的一大弊端,就是这些经物理或化学方法压缩了层间距的 GOM,大大损失了水通量 (<0.1 L m-2 h-1 bar-1, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 546),使得它们离作为新一代的海水淡化和水处理材料还有很远的距离。

最近,由中国科学院理化技术研究所,郭维 (http://www.escience.cn/people/guowei/index.html) 所领导的科研团队提出了一种基于电场诱导的非尺寸选择的离子筛分效应,可以在不压缩层间距的前提下,实现对 NaCl 等无机盐离子超过97.0%的脱除率,和高达1529 L m-2 h-1 bar-1的水通量 (如图)。他们将这一基于具有平面电荷异质结构的氧化石墨烯多层膜 (planar heterogeneous graphene oxide membranes, PHGOM),和倒T字型抽水模式的方法称为,平面异质界面脱盐 (Planar Heterogeneous Interface Desalination),即,电场诱导的脱盐只发生在异质结面上。相关论文在线发表于 Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903954)上。

本文的要点包括:

1. 具有平面异质结构的二维层状材料的制备。作者采用了一种非传统的真空抽滤二维材料胶体溶液的方法,称为双流体(或多流体)抽滤。他们用隔板将抽滤容器隔成两个(或多个)腔室,但仍保持底部的连通,从而可以同时抽滤两种(或多种)不同的二维胶体溶液。抽滤成的样品呈现侧向连接的多层膜结构。这种制备方法也很容易直接扩展到其他二维材料家族。

2. 平面异质界面脱盐与传统的脱盐方法有本质不同。在这种倒T字型的抽水模式中,原溶液从膜的侧向吸入,淡水从异质结面处,垂直的方向抽出。而传统的膜技术方法,过滤前后的流体均从膜的垂直方向抽出。作者认为这种方法是一种更为高效的抽水方式,并且用实验结果和分子动力学模拟证明了他们的观点。

3. 与现有的无机、有机、以及生物膜材料相比,本文所报道的PHGOM可以在保持近乎完美脱盐率的前提下,实现非常高的水通量。比现有主流的高分子反渗透膜和混合基质膜 (<10 L m-2 h-1 bar-1) 高了超过两个数量级,甚至超过生物水通道蛋白复合膜 (~600 L m-2 h-1 bar-1)和单层多孔石墨烯膜 (~250 L m-2 h-1 bar-1)。

4. 脱盐装置的工作压力最低仅需 0.4 bar,远低于现有反渗透体系所需要的工作压力。一个成年人用肺部产生的负压即可通过装置吸取淡水。因此,作者认为该方法更适合用于构建面向个人的,低能耗,便携式淡水汲取装置。