精確控制石墨烯膜的層間距, 達到十分之一納米精度, 是其在水處理, 離子/分子分離以及電池/電容等應用的關鍵. 近日, 中國科學院上海應用物理研究所方海平團隊, 上海大學吳明紅團隊, 南京工業大學金萬勤團隊和浙江農林大學學者合作, 提出並實現了用水合離子自身精確控制石墨烯膜的層間距, 展示了其出色的離子篩分和海水淡化性能, 並用理論計算, 上海光源的X射線小角散射 (BL16B1) 和精細吸收譜 (BL14W1) 實驗闡明了機理, 相關論文發表在Nature上.
對像紙一樣的石墨烯納米片, 要精確 '裝訂' 成石墨烯膜, 保證其層間距固定並精確到十分之一納米這麼小的尺度, 其困難可想而知. 更具挑戰的是, 石墨烯膜在水溶液中會發生溶脹導致分離性能嚴重衰減. 研究人員曾利用納米技術操控, 膜間修飾小分子等技術做了諸多努力但仍不能如願. 方海平團隊在水合離子與芳香環結構上π電子相互作用的系列工作的基礎上, 提出了溶液中離子本身可以有效控制 (氧化) 石墨烯膜的層間距, 並進行了相應的理論類比計算加以驗證. 他們還利用上海光源的X射線小角散射 (BL16B1) , 精細吸收譜 (BL14W1) 以及紫外等表徵手段, 證明了離子與石墨烯片層內芳香環結構之間存在水合離子-π相互作用. 這樣的作用像 '橋墩' 一樣支撐石墨烯片層, 精確控制了石墨烯膜的層間距, 不同大小的水合離子相當於不同大小的 '橋墩' , 對應不同的層間距. 吳明紅團隊在方海平等協助下通過實驗, 實現並觀測到石墨烯膜與不同的離子溶液作用後確有特定的層間距, 間距可小到一納米左右, 不同離子對應的間距差異小於十分之一納米; 當石墨烯膜與水合直徑小的離子溶液結合後, 具有更大水合直徑的離子難以進入石墨烯膜. 因此, 通過離子選擇可以實現對石墨烯膜的層間距達十分之一納米的精確控制. 金萬勤團隊在方海平團隊理論模型的基礎上, 設計製備了一系列水合離子控制的多孔陶瓷支撐的石墨烯複合膜, 從實驗上實現了不同離子間的精確篩分; 對具有最小水合直徑的鉀離子, 由於鉀離子的水合層較弱, 進入石墨烯膜後水合層發生形變, 導致特別小的層間距. 經過鉀離子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合鉀離子自身的進入, 有效截留鹽溶液中包括鉀離子本身在內的所有離子, 還能維持水分子通過, 實現一邊是離子溶液一邊是純水的水處理效果. 研究團隊申請了相應的國內和PCT專利.
研究工作得到了國家自然科學基金委, 中科院, 科技部, 上海光源以及上海超算中心, 中科院北京超算中心和廣州超算中心的資助.
