新型類石墨烯基海水淡化反滲透膜的重要研究成果

目前，地球上有超過10億人都面臨著水資源短缺的問題，隨著人口增長，氣候變化，水污染等，這一問題日益嚴(yán)峻。海水淡化被認(rèn)為是解決這一問題的關(guān)鍵，其中具有顯著的水-鹽分離效率的反滲透技術(shù)（RO）備受期待。傳統(tǒng)的聚合反滲透膜仍然存在這樣的缺陷，如污垢阻力低，選擇性差，抗污穩(wěn)定性低，抗化學(xué)/熱降解差。因此，尋找和探索具有更好的滲透性，選擇性，化學(xué)穩(wěn)定性，并能同時抗污的新材料一直是科學(xué)家們不斷努力的方向。

理論上，原子厚度的膜可以導(dǎo)致很高透水率，由于水通量與膜厚度成反比關(guān)系，在這些材料中，石墨烯材料表現(xiàn)出耐污性、耐降解性、超高機械性能、抗撕裂的強度，可調(diào)的小孔隙尺寸，可調(diào)的滲透率，化學(xué)穩(wěn)定性和可伸縮的合成方法，這可能會帶來具有成本效益的生產(chǎn)。由于這些優(yōu)勢，石墨烯基膜被認(rèn)為是用于下一代海水淡化系統(tǒng)很有前景的候選者。然而，納米多孔石墨烯在海水中的應(yīng)用仍處于研究階段，由于很難在單層上鉆取半徑均小于0.45 nm的無缺陷亞納米孔而脫鹽。造成這種情況的主要原因是需要均勻的亞納米級孔徑的孔隙分布，這決定了孔徑的大小對納米多孔石墨烯的選擇性，對其提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，納米孔膜的制備是關(guān)鍵因素，這阻礙了多孔石墨烯膜技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。但眾多分離膜仍存在滲透性與脫鹽率的矛盾問題，即要想達到高脫鹽率，往往要犧牲水滲透性，難以實現(xiàn)兩全其美，這個問題也一直困擾著科學(xué)家們。

近日，昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院于曉華教授和榮菊教授等指導(dǎo)的研究生侯金成在《Journal of Materials Chemistry A》上發(fā)表新型類石墨烯基海水淡化反滲透膜的重要研究成果，這一新型淡化膜以昆明理工大學(xué)命名(Kust-I)。Kust-I的孔徑為0.45 nm，解決了目前在單層上鉆取半徑均小于0.45 nm孔的挑戰(zhàn)。同時，膜層通過合理的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計，完美地結(jié)合了缺陷石墨烯的鹽離子高截留率和沸石結(jié)構(gòu)的高使用壽命，首次設(shè)計了具有良好穩(wěn)定性、高力學(xué)性能、高鈉離子截留率和自清潔循環(huán)使用的反滲透膜材料。審稿人對這項工作給與了極高的評價：“The present work is contributing significant novelty and it fills gaps ofknowledge in graphene-like systems with potential applications for importantindustrial processes, so it is quite useful to the journal audience”。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D1TA05322A

圖1 Kust-Ⅰ的差分電荷密度

圖2 Kust-Ⅰ的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖3 Kust-Ⅰ海水淡化特性Kust - I在不同壓力下水的累積通過量(a)，海水淡化膜工作原理圖(b)，H2O (c)和O (d)過渡態(tài)的第一性原理計算

圖4Kust-Ⅰ的合成方法設(shè)計

審核編輯 ：李倩