Advanced Functional Materials:非常规通道:纳米褶皱在跨二维石墨烯膜物质传输中的作用

人类对其社会发展三大基本要素——水、资源、能源的获取大多依赖于自然及人工环境中对应的物质分离过程(水-离子,离子-离子,阴离子-阳离子分离)。具有选择透过性的膜因为具有合适的孔径,丰富的表面化学性质,而能控制不同物质的传输速度以完成这些分离过程。近年来,以二维材料(石墨烯,过渡金属硫化物、碳化物、氮化物等)为结构单元,通过有序堆叠形成的二维层状膜,由于其层间存在大量平行排列且物化性质高度可控的纳米通道,而得到广泛研究和应用。尽管平行通道往往被认为是主要的传输通道,人们逐渐意识到和它们同时存在的纳米褶皱结构,或许也作为一种非常规通道在影响着物质传递及分离。

为此,澳大利亚莫纳什大学张西旺课题组联合表征模拟手段,还原二维石墨烯基膜内固有纳米褶皱的三维形态;并通过溶剂处理法得到不同的膜内褶皱密度,进而揭示其作为一类非常规通道,在跨膜物质传输中的显著调控作用。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202003159)上。

由于石墨烯基等二维材料自身存在一定的柔性,二维片在膜抽滤组装、干燥以及后续处理中都有可能发生皱缩或翻折从而在平行通道网络中形成形似褶皱的纳米曲面结构。这些褶皱被电镜表征及模拟手段证实能够在膜厚度足够时趋于稳定,呈现一种中间高为2-3 nm,边角及窄的“拱桥”形貌特征。为证实这种与平行通道截然不同的结构在跨膜运输中的作用,两种不同溶剂(乙醇和正己烷)在抽滤末期加入以改变膜内的褶皱密度。由于极性的显著差异,强极性的乙醇和弱极性的正己烷能通过对膜干燥速度的控制分别得到更高和更低密度的褶皱。在对应的水-盐分离测试中,具有更高褶皱密度的还原石墨烯膜(rGO)具有显著增高的水通量(~50 L·m-2·hr-1),却只有很低的盐通量(~1.2g·m-2·hr-1)。这说明褶皱更大的总体通道截面,及更小边角所产生的巨大毛细管力能够使得水分子在疏水的rGO表面快速滑过,成为水的快速通道。而由于褶皱分散在rGO膜中且连接两端的平行通道,这些狭窄的平行通道或成为“离子筛”阻碍盐离子的通过。这项研究的结果或能给跨二维膜物质运输及分离的机制带来更多研究视角,且探讨以“褶皱调控”为手段来设计高性能分离膜的可能性。