南京大學Nano Lett.：軟顆粒插層氧化石墨烯膜實現快速選擇性的水傳輸

【引言】

近來，在控制氧化石墨烯（GO）膜的層間距以實現高效分離以及在增強GO膜穩定性方面取得的研究進展，極大促進了GO膜在脫鹽和水凈化中的實際應用。這其中，將特定物質插入GO膜層間，通過控制其與GO片發生化學或物理相互作用來調控層間距是一種有效的策略，但是要選擇合適的插層劑卻極為困難。首先，插入不可變形的硬物質（例如，TiO₂粒子），由于其尺寸通常為幾個納米，往往會導致GO膜原有的有序層狀結構破壞，從而難以有效截留離子。目前，制備亞納米尺寸并同時分散良好的硬質物質仍然是一個巨大的挑戰。其次，研究人員通常選擇小分子化學物質（例如，乙二胺）或金屬離子（例如，Ca²⁺）作為插層劑，用于交聯GO納米片來調控層間距，實現對各種離子的截留。但是，插層劑和GO片之間較強的相互作用會使得層間距變小，因此水通量較低；而且很難通過對小分子插層劑化學改性進行改進。此外，在長期使用過程中，這些水溶性小分子化學物質或金屬離子會從膜中溶出而造成缺陷，導致膜截留性能下降。因此，開發更加高效的插層劑是非常重要的。

【成果簡介】

近日，南京大學張煒銘教授研究團隊，首次報道了以軟性顆粒-聚丙烯腈凝膠粒子（PAN GPs）作為插層劑，通過PAN GP變形來有效調控氧化石墨烯（GO）膜的層間距。而且，堿處理使PAN GPs表面生成疏水/親水結構，有助于水在GO膜中的溶解-擴散。在GO膜中插層PAN GPs軟性粒子，可以實現水有選擇的快速傳輸，例如，該GO膜對重金屬絡合離子Cu-EDTA^2-的去除效率是文獻中2D膜的4-13倍。相關成果以“Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖 1?插層聚丙烯腈凝膠粒子（PAN GPs）制備GO納濾膜示意圖

圖 2 TEM表征以及PAN GP尺寸對Cu-EDTA^2-分離的影響

（a-d）加入不同體積乙醇制備的ATPP@GOM-n的TEM圖：（a）20％，（b）30％，（c）50％和（d）70％；

（e）加入不同體積乙醇制備的ATPP@GOM-n膜對Cu-EDTA ^2-的去除性能（插圖是Cu-EDTA^2-的幾何結構）；

（f）通過PAN GPs的溶脹、陰離子-π的相互作用以及外加壓力來調節層間距的機制。

圖 3 PAN GPs表面電荷對水傳輸的影響

（a，）TPP@GOM-30膜的照片

（b）ATPP@GOM-30膜的照片；

（c）由PAN GPs表面電荷引導的類水通道蛋白的水快速傳輸；

（d）KOH濃度對Cu-EDTA^2-分離性能的影響。

圖 4 GO膜中PAN GP加入量、長時間分離性能以及與文獻中相關膜的比較

（a）PAN/GO質量比對Cu-EDTA^2-分離性能的影響；

（b）ATPP@GOM-30膜對Cu-EDTA^2-的水通量和截留率隨時間的變化；

（c）ATPP@GOM-30膜對不同配位重金屬（Cu，Ni和Cr）和螯合劑（NTA，CA和EDTA）的重金屬-有機絡合陰離子的通量和截留率；

（d）ATPP@GOM-30膜與文獻中報道的納濾膜和商用聚合物膜的通量和截留率的比較。

【小結】

本文在GO膜中添加PAN GPs，通過調控PAN GPs粒子的變形和進一步的化學修飾有效地控制層間距，能夠高效截留重金屬絡合離子，例如，該GO膜對10ppm重金屬離子，截留率>96%。綜上所述，插層軟物質粒子是一種有效且簡便的策略，可制備用于脫鹽和水凈化的GO或其他2D膜。

文獻鏈接：Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes（Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02724）.

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。