中国科学院上海应用物理研究所

研究项目：通过阳离子控制层间距实现氧化石墨烯膜的离子筛选

论文来源： NATURE  Volume: 550   Issue: 7676     Published: OCT 19 2017

论文题目:Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing

中国科学院上海应用物理研究所方海平教授科研团队及其合作者提出并实现了用水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距，展示了其出色的离子筛分和海水淡化性能，并用理论计算、X射线小角散射和精细吸收谱实验阐明了机理。

方海平等研究团队在该团队以往工作的基础上，提出了溶液中离子本身可以有效控制（氧化）石墨烯膜的层间距，并使用上海超级计算中心的高性能计算平台进行了相应的理论计算验证。同时，他们还利用上海光源的X射线小角散射、精细吸收谱以及紫外等表征手段证明了离子与石墨烯片层内芳香环结构之间存在水合离子-π相互作用。这样的作用像“桥墩”一样支撑石墨烯片层，精确控制了石墨烯膜的层间距，而不同大小的水合离子相当于不同大小的“桥墩”，进而对应于不同的层间距。为验证该理论模型，研究团队通过实验成功实现并观测到石墨烯膜与不同的离子溶液作用后确有特定的层间距，这样的间距可以小到一纳米左右，而不同离子对应的间距差异小于十分之一纳米；当石墨烯膜与水合直径小的离子溶液结合后，具有更大水合直径的离子就难以进入石墨烯膜。因此，通过离子选择可以实现对石墨烯膜的层间距达十分之一纳米的精确控制。在该理论模型的基础上，研究团队设计制备了一系列水合离子控制的多孔陶瓷支撑的石墨烯复合膜，从实验上实现了不同离子间的精确筛分；对于具有最小水合直径的钾离子，由于钾离子的水合层较弱，进入石墨烯膜后水合层发生形变，导致特别小的层间距。这样，经过钾离子溶液浸泡的石墨烯膜能阻止水合钾离子自身的进入，有效截留盐溶液中包括钾离子本身在内的所有离子，同时还能维持水分子通过，实现一边是离子溶液一边是纯水的水处理效果。

图：通过阳离子控制层间距实现氧化石墨烯膜的离子筛选