在传统分子扩散理论的限制下，“高效离子阻隔”与“快速水分子传输”是一对矛盾体，二者相互制约、难以调和，因此如何在海水淡化和工业水净化应用中实现离子与水的高效分离面临巨大挑战。近日，我院崔鑫炜、许群教授与加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授合作，报道了一种富含0.6nm石墨烯限域孔道的二维纳滤膜，发现了在纳米限域条件下类晶态二维有序水的存在，以及基于牛顿摆机制的非扩散、快速水分子传输现象，成功达成了高效离子阻隔（~10–4molm–2 h–1）与高速水通量（45.4 Lm–2 h–1）同步实现。该现象不仅从分子尺度上丰富了我们对于孔结构与分子传输之间构效关系的认识，还为抑制液态物质内的扩散、提升固态物质内分子、离子的传输速率提供了重要思路，对纳米流体学、能源存储与转换、离子晶体管、生命科学等领域都具有较为广泛的理论指导与实际应用意义。相关成果“Anomalous water molecular gating fromatomic-scale graphene capillaries for preciseand ultrafast molecular sieving”发表于国际知名期刊Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-023-42401-4）。论文的共同一作为郑州大学河南先进技术研究院硕士生张倩、材料科学与工程学院博士生高波以及关键金属河南实验室的青年教师张凌。

图1. 基于牛顿摆机制的非扩散、快速水分子传输现象的示意图。

在常规的氧化石墨烯（GO）二维纳滤膜中，为了实现高效离子阻隔，需要将二维孔道的尺寸大小控制到小于水合离子的尺寸，由此引发GO表面的含氧基团会在限域的空间内与水分子产生较强的氢键作用，阻碍水分子的传输。与之相反，疏水的石墨烯孔道可以提供快速的水分子传输，然而还原氧化石墨烯（rGO）由于π-π重堆叠的效应，封住了分子传输的限域通道，使得一般rGO基纳滤膜只能保留缺陷比较大的孔结构，离子阻隔效果不佳。基于此，研究人员提出了一种制备rGO基纳滤膜的新方案，获得了富有0.6 nm石墨烯限域孔道的二维纳滤膜（MOGM）。

原位红外结果表明，在石墨烯基的纳米限域孔道内，水分子周围的氢键数大于液态水以及固态冰的氢键数。第一性原理理论计算给出，水分子在此纳米限域条件下形成了类晶态的二维有序水结构。此项研究发现了一种新的“液-固-液”相变分子传输过程，所报到的传输机制也可以推广到其他具有限域孔道的纳滤膜中（比如MOF和COF的纳滤膜），为纳米限域条件下特殊现象的理论研究和更广阔范围内的实际应用提供了指导。

论文信息：

Anomalous water molecular gating from atomic-scale graphene capillaries for precise and ultrafast molecular sieving.  Nat.Commun. 14, 6615 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42401-4