科普 | 纳米孔里的大未来：当石墨烯遇见精准筛分

在化工、制药、环保等领域，物质分离如同一场永不停歇的 “筛选战役”。传统的分离膜存在孔径分布不均匀、选择分离层较厚，制约了分离通量和分离选择性的同步、大幅提升，很难做到精准筛分。而纳米孔膜的诞生，恰似引入了一支“纳米级特种部队”，以分子尺度的精准筛分，开启了高效绿色分离新篇章。

纳米级孔洞的 “筛选魔法”

纳米孔膜是一种利用纳米级孔洞结构实现物质分离的新型膜材料，其核心在于精准的纳米级孔洞。这些 “纳米窗口”，能像筛子一样根据分子尺寸差异实现选择性透过——仅允许特定大小的分子或离子通过，从而实现物质分离。

这种神奇的筛分能力源于对孔洞结构的精准控制。科学家通过等离子体刻蚀、化学蚀刻等技术，在二维材料表面“雕刻”出孔径均一的纳米孔，让每一层膜都成为分子级的“安检门”。从海水淡化到药物提纯，从生物检测到气体分离，其正在多个领域展现精准实力。

石墨烯：纳米孔膜的“理想载体”

在众多二维材料中，石墨烯堪称“天选之子”，集多项“超能力”于一身：

• 原子级厚度与高通量

石墨烯是一种单层碳原子构成的二维材料，其厚度仅为0.335纳米（相当于头发丝的二十万分之一），远小于传统聚合物膜的厚度。这种极薄的结构使得分子和离子能够快速通过，从而实现高通量。

• 高选择性与尺寸筛分能力

通过在石墨烯上引入纳米级孔洞，可以实现对分子或离子的尺寸选择性分离。例如，0.5-1纳米的孔洞可以有效阻挡盐离子（如Na⁺、Cl⁻）的通过，而允许水分子通过，从而实现高效的脱盐效果。此外，石墨烯纳米孔还可以通过功能化（如引入羟基、羧基等）进一步调控离子的输运行为。

• 优异的机械与化学稳定性

石墨烯具有极高的机械强度和化学稳定性，能够耐受酸碱、有机溶剂等多种严苛环境，满足产业化应用的需求。此外，石墨烯的热稳定性使其在高温环境下仍能保持结构完整性。

BGI：纳米孔石墨烯薄膜

BGI将传统分离膜制备工艺与CVD石墨烯薄膜生产技术相结合，在保证石墨烯质量的前提下，将单层或多层石墨烯从金属基底复合到多孔聚合物基底上。在此基础上，通过向石墨烯晶格中引入均一可控的纳米孔，成功制备了纳米孔石墨烯薄膜。其中石墨烯作为选择层，可以通过分子筛分机理实现气体分子与各种盐离子的分离，阻盐（180 g/L的高浓度NaCl）率可达99%，还具有如下特点：

• 实现同一数量级精确分离

孔径可在0.5-10 nm之间调控，孔径分布误差±0.5 nm，永久性纳米孔结构稳定，无溶解、溶胀及塑化现象，选择性高且稳定；

• 兼顾高选择性与高渗透性

纳米孔多达1000 亿个/cm²，低于1 nm的超薄分离层及直流道设计流阻小、抗污染、抗阻塞，既保证通量且耗能低，又大幅提升回收率；

• 热稳定性与化学兼容性高

热稳定性和化学稳定性高，耐受有机溶剂、酸碱腐蚀、高温工况，不和微生物发生生化及化学反应，使用寿命长。

如今，这种神奇的纳米孔石墨烯薄膜已在多个领域崭露头角，完成了在膜式总有机碳分析仪中的应用验证，为水质检测、大气环境监测、生物样本制备、工业过程分析、电子器件工作保障等领域的气相分离、气液分离以及液相分离场景提供了全新解决方案。

面向未来，我们相信，这种融合了纳米科技与材料创新的 “超级筛网”，不仅将重塑传统分离产业的格局，更将为解决水资源、能源、环境等重大问题带来新希望。