打破“吸附-扩散”权衡：异质石墨烯膜用于超快高选择性水传输

本文要点

渗透蒸发为高精度工业所必需的高纯度溶剂提供了一种选择性制备途径。本文介绍了一种通过纳米多孔氧化石墨烯（NPGO）与GO纳米片的异质共组装获得的结构工程化纳米多孔氧化石墨烯膜（N-GOm）。NPGO纳米片以纳米多孔sp³碳域和氧官能团为特征，协同增强了水亲和性，有效提升了水吸附能（Eads）。N-GOm集成了有缺陷的sp³/sp²异质堆叠空腔以促进水传输，有效提高了溶液自扩散系数（D），从而间接改善了扩散活化能（ED），而石墨化sp²堆叠区域则确保了结构稳定性并实现了精确的分子筛分。其中，热交联的rN-GOm实现了18.4 kg·m⁻²·h⁻¹的卓越通量，凸显了其在工业溶剂脱水中的应用潜力。这些互补的结构特性通过密集的筛分通道和互连的内部路径实现了快速、高选择性的传输，为碳微环境和堆叠结构如何调控超薄二维膜中的吸附与扩散提供了原子尺度的见解。

本文创新

2026年5月4日，比利时鲁汶大学Bart Van der Bruggen教授团队联合华中科技大学袁书珊教授团队，在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表题为“结构工程化纳米多孔氧化石墨烯膜用于溶剂脱水”（Solvent dehydration with structurally engineered nanoporous graphene oxide membranes）的研究论文，为高性能渗透汽化膜的设计提供了新思路。

1. 提出了“异质共组装”的膜构建新策略，以亲水性、多孔的NPGO纳米片疏水性、致密的GO纳米片为共构建基元，主动设计膜内的纳米结构。
2. 成功构建了独特的“sp³/sp²异质堆叠空腔”结构。其中，亲水sp³域增强吸附并提供快速通道，疏水sp²域确保结构稳定与精确筛分，两者界面处形成的纳米空腔显著降低了水传输阻力。
3. 首次在实验中实现了“吸附”与“扩散”的协同增益，打破了传统膜过程的权衡关系。工程化膜（rN-GOm）在保持>99.4%高选择性的同时，水通量达到18.4 kg·m⁻²·h⁻¹，为传统膜的3-10倍。
4. 从能量角度阐明了性能提升的根源。通过理论与模拟证明，该结构使水吸附能提升约2.6倍，同时水的扩散能垒降低约40%，实现了“焓-扩散耦合”的新型传输机制。
5. 建立了从最基础的“碳原子杂化状态（sp³/sp²）”这一微环境出发，通过结构工程调控宏观性能的完整研究范式，为未来高性能分离膜的设计提供了清晰的原理指导。

图文导读

来源：环材膜域