二维材料孔径调控与离子选择性研究进展

随着全球水资源短缺、能源需求增长和环境污染问题日益加剧，离子分离技术在海水淡化、废水处理、电池电解质分离以及清洁能源生产等领域展现出巨大的应用潜力。离子分离的核心在于实现特定离子的高效选择性传输。然而，传统分离材料在通量、选择性以及能耗之间难以达到平衡，限制了其广泛应用。这一挑战促使研究者探索更高效的解决方案，二维材料因其超薄的结构、高比表面积及可调节的物理化学性质，成为解决离子分离问题的理想材料。

二维（2D）材料，如石墨烯（Gr）、MXene和氮化硼（BN）等，因其独特的2D层状结构和纳米级孔道，展现出优异的离子选择性调控能力。其中，通过孔径调控来实现对特定离子的筛分和传输，是二维材料在离子分离技术中最具吸引力的研究方向。孔径的大小、形状以及表面化学性质，直接决定了材料对离子的筛分机制和分离效率。因此，基于二维材料的孔径调控研究在理论与实验层面均取得了快速进展，为离子分离技术的革新提供了全新的思路。笔者旨在系统总结和分析针对二维材料的孔径调控技术及二维材料在离子筛分中的应用研究，梳理石墨烯及其衍生物、MXene和过渡金属硫化物等典型材料的研究成果，揭示孔径调控与离子筛分行为之间的内在机制，并探讨其在能源与环境领域的应用潜力和发展方向。

二维材料

2D材料是指具有单层或少数几层原子厚度的材料，其在一个或多个方向上具有纳米级别的尺寸，通常表现为平面结构，广泛应用于能源存储、电子器件、催化、水处理等多个领域。主要阐述了几种常见的二维材料：Gr、MXene、过渡金属二硫化物（TMDs）氮化硼（BN）及层状双氢氧化物。

1.1 石墨烯

Gr作为一种典型的二维材料，以其单层碳原子构成的蜂窝状结构闻名，具有高导电性、优异的力学性能和巨大的比表面积。这些特性使其在离子选择性分离和孔径调控领域展现出巨大的应用潜力。石墨烯的孔径调控主要通过其层间距和表面功能化实现。通过调控石墨烯的层数或引入氧化石墨烯（GO）等功能化材料，可以精确调节其孔径大小，从而实现对不同尺寸离子的选择性筛分。研究表明，Gr及其衍生物在离子选择性分离中表现出优异的性能。例如，通过化学修饰或引入纳米孔，Gr膜可以实现对特定离子（如Na⁺、K⁺）的高效筛分。在电渗析和电容器等领域，Gr的高导电性和可调控孔径特性进一步提升了其性能。

但是，Gr的层间堆叠可能导致孔隙结构不均匀，影响离子选择性。此外，大规模制备高质量Gr膜的工艺复杂且成本较高，限制了其在实际应用中的推广。

1.2 MXene

MXene材料是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化合物组成的二维材料。它是一种具有可调孔隙结构和丰富表面化学性质的二维材料，其独特的层状结构和丰富的官能团使其在离子筛分、电化学应用（如电池和超级电容器）、水处理及电渗析中表现出显著优势。例如，MXene膜能够通过调节孔隙大小实现对不同离子的选择性筛分，同时在钠离子电池中有效选择性地吸附和传输Na⁺。在孔径调控方面，MXene的层间距和孔隙大小可以通过化学刻蚀、氟化处理等方法进行精细调节，这使其在气体分离、催化和储能应用中具有巨大潜力。

然而，MXene在孔径调控和离子选择性方面仍然面临一些挑战。例如，MXene的层间稳定性较差，可能导致长期使用中的性能衰退；此外，大规模制备高质量MXene膜的工艺复杂且成本较高，这在一定程度上限制了其在实际应用中的推广。

1.3 过渡金属二硫化物

过渡金属二硫化物（TMDs）是由过渡金属元素（如钼Mo、钨W、钒V、铼Re等）与两种硫族元素（如硫S、硒Se、碲Te）形成的化合物。TMDs 具有层状结构，通常为单层或少层的二维材料。因其具有可调的孔隙结构、丰富的表面化学性质和高比表面积，可以通过调节TMDs的层间距和孔隙大小，实现对不同离子的选择性筛分，广泛应用于水处理、电池、超级电容器等电化学设备中。

尽管TMDs在实验室中表现出色，但其大规模合成、稳定性和长期应用仍面临挑战，且材料的稳定性（如氧化问题）、合成复杂性和成本也是其面临的主要问题。

1.4 其他二维材料

1.4.1 氮化硼

BN是一种由硼（B）和氮（N）元素以化学键合形成的化合物。BN存在多种不同的晶型，其中最常见的是立方氮化硼（c-BN）和六方氮化硼（h-BN）。其中，h-BN以其类似石墨的层状结构广泛研究并应用。BN具有优异的化学稳定性、可调的孔隙结构和绝缘特性。BN材料可以通过调节层间距来实现对不同离子的选择性筛分，广泛应用于水处理、电化学储能以及海水淡化等领域。在这些应用中，BN膜能够有效去除水中的盐分、重金属离子及有害物质，或在电池中选择性传导特定离子，从而提高性能和稳定性。

BN的可调孔隙结构在气体分离、催化反应和纳米传感器中也具有重要作用。通过精细调节孔隙大小，BN膜能够高效分离气体分子，如H₂和CO₂，并优化催化反应的效率。但是，BN具有孔径均匀性差、孔径调节灵活性差、合成成本高等缺点。因此，其在大规模合成、材料稳定性以及界面工程方面仍面临一定挑战，未来研究需解决这些问题以进一步推动其在实际应用中的广泛应用。

1.4.2 层状双氢氧化物

层状双氢氧化物（LDH）具有层状结构，每层由金属氢氧化物组成，层间由阴离子和水分子交替堆叠。由于其层状结构，LDH能够通过调节金属阳离子种类、层间阴离子和水分子含量，精确控制孔隙大小和分布，使其在离子交换和分子筛选中表现出优异的离子选择性。孔径通常在纳米尺度，可以有效筛分不同尺寸的离子。LDH材料具有强大的离子交换能力，能够根据不同的应用需求选择性地吸附和释放特定离子。这使LDH在水处理、污染物去除以及能源存储系统中具有重要应用价值。

LDH的不足是孔隙通常较小，适用于较小的分子或离子的筛分，因此在大分子吸附或大容量储能应用中可能表现不足。孔隙过小会限制其在一些高容量储能装置（如大电流的超级电容器或电池）中的应用。

1.5 小结

介绍了石墨烯、MXene及TMDs等5种材料在孔径调控方面的优缺点及其应用场景，并详细讨论了这5种二维材料在孔径调控方面的优缺点和适用场景，结果见表1。

综合来看，这些材料在孔径调控方面各具特点，且适用于不同的应用场景。未来，通过进一步优化合成方法和改性策略，有望进一步提升其孔径调节性能，从而拓展它们在清洁能源、环境保护、分子筛选等领域的应用潜力。

表1 二维材料的孔径调控特性及应用场景对比

二维材料孔径调控与离子选择性关系

二维材料在实际应用中往往需要精确的孔径调控，以优化其性能和提升效率。特别是在离子选择性分离方面。通过对各种材料（如Gr、MXene、过渡金属二硫化物、BN等）的孔径调控技术进行应用分析发现，不同材料具有不同的离子选择性特性。通过精确调控材料的孔径，可以实现对特定离子的高效分离和选择性传输，从而大幅优化各类设备和系统的性能，满足现代工业、环境保护和能源转换等领域的需求。离子选择性在水处理、电池技术、电催化、气体分离等领域的众多前沿技术中具有至关重要的作用，其在水处理领域的应用最为广泛。因此，孔径调控方法的研究成为二维材料研究的一个重要方向。

目前，常见的二维材料孔径调控方法主要包括化学气相沉积法（CVD）、化学刻蚀法、模板法、物理刻蚀法、物理气相沉积法（PVD）等。这些方法各自具有不同的优缺点和适用范围，针对不同的离子选择性需求，调控孔径的尺寸和分布尤为重要。

2.1 化学气相沉积法

CVD是一种高效的薄膜沉积技术，能够实现对Gr、h-BN、TMDs等材料在0.3~50nm范围内的精确孔径控制，尤其适用于构造亚纳米级和纳米级有序孔结构。其中亚纳米级（0.3~1.0nm）对离子筛分和过滤最有应用价值，而1~10nm级别可广泛用于催化、能源存储和传感器领域。这种孔径调节方法对于离子选择性和渗透性的提升非常关键，通过优化离子源的选择和CVD过程中的反应条件，能够显著提升材料在特定应用中的表现和效率。

2.2 化学刻蚀法

化学刻蚀法通过选择合适的刻蚀剂和工艺参数优化孔隙尺寸，可将二维材料的孔径调整至1~100nm，尤其在Gr、MoS₂等材料上，能够实现1~2nm的精度调控。通过化学刻蚀法优化孔结构，不仅提高了膜的离子选择性，还增强了其在实际应用中的效率和稳定性，常应用于水处理、离子选择性膜、催化反应等领域。

2.3 模板法

模板法的孔径调控范围取决于所使用的模板类型，不同方法适用于不同尺寸范围。纳米级精确控制（1~10nm）可采用软模板法来精确调节孔结构。可调孔径（5~200 nm）可通过硬模板法实现均匀有序的孔洞控制。对于二维材料的打孔（10~100nm），可利用纳米球自组装及刻蚀策略，以纳米球模板辅助刻蚀，精准调整孔径。而若需多级孔结构（2~500nm），则可采用双模板法（结合硬模板和软模板），以实现不同尺度孔径的层次化调控。模板法通过精确控制材料的孔径、孔结构和表面化学性质，影响其对不同离子的选择性，从而广泛应用于分子筛分、水处理（重金属去除）、超级电容器、气体分离等领域。不同类型的模板法可实现对特定离子的筛分与传输调控，提高材料在分离与储能方面的性能。

2.4 其他孔径调控方法

2.4.1 物理刻蚀法

物理刻蚀借助电子束、离子束等手段，能够在二维材料上雕刻出0.5~50nm范围内的孔隙，实现高精度纳米加工。调节孔隙的尺寸，不仅能够选择性地控制不同大小和电荷的离子的透过性，还能调节孔隙的化学环境。这种调节能够在多个应用领域发挥重要作用，如离子选择性膜、传感器、能量存储和水处理等领域。通过控制孔隙的尺寸和形态，能够优化材料的性能，满足不同应用需求。

2.4.2 物理气相沉积法

PVD（如磁控溅射、电子束蒸发等）可通过沉积过程控制二维材料的孔径在1~200 nm之间，特别适合制备具有亚纳米到小纳米孔径范围的二维膜。在Gr、MXene和TMDs等二维材料上，PVD可以通过控制沉积层厚度和纳米颗粒的排列来调控孔径大小。PVD技术可通过控制膜的孔径、电荷和厚度，实现高选择性的离子筛分，广泛应用于膜分离、能源存储、传感器和催化等领域，特别是在超薄高选择性膜的制造方面具有独特优势。

2.5 小结

在二维材料的孔径调控研究中，不同的调控方法各具优势，其适用范围和性能特点对材料的选择性分离能力具有重要影响。总结了CVD、化学刻蚀法、模板法、自组装法和PVD这5种主要方法，比较了它们在孔径调控范围、适用材料以及应用场景。

表2 不同孔径调控方法的比较及应用场景

展  望

未来，基于二维材料的孔径调控技术在离子选择性分离领域仍有巨大的研究空间。对未来基于二维材料的孔径调控与离子选择性研究的展望有如下三方面。

（1）目前，CVD、化学刻蚀法、模板法等技术在孔径均一性、可控性及大规模制备方面仍存在挑战。未来可以发展更精细的制备技术，如扫描探针显微术诱导刻蚀、自组装纳米颗粒刻蚀等，以在单纳米尺度上控制孔径大小和形状。

（2）在离子筛分应用中，提高选择性和透过率是关键挑战。未来研究可通过电荷调控、孔壁化学修饰和纳米流体动力学优化来提升筛分性能。其中，通过表面电荷修饰（如引入功能化基团）可增强对特定离子的吸附与排斥能力，而孔壁化学修饰（如共价键合或π-π相互作用）能够提高离子识别选择性。

（3）随着计算模拟和人工智能技术的发展，理论预测与实验设计的结合将成为未来研究的关键方向。未来研究应结合分子动力学模拟（MD）、密度泛函理论（DFT）等理论工具，系统分析不同离子在二维材料孔道中的传输路径、能垒变化和脱水行为。这些研究将有助于深入理解离子传输的微观机制，为设计更高效的离子选择性分离材料提供理论指导。

结  语

二维材料凭借其独特的物理化学性质和精细的孔径调控能力，在离子选择性分离领域展现出巨大的应用潜力，为解决海水淡化、废水处理、能源存储等关键问题提供了新思路。尽管现有研究已取得显著进展，但材料的化学稳定性、机械强度以及规模化制备仍面临挑战。未来，通过开发新型二维复合材料、优化低成本制备工艺，并结合MD和DFT等理论工具深入揭示离子传输机理，有望进一步提升材料的分离性能和应用范围。二维材料在能源与环境领域的技术优势将得到充分发挥，为构建可持续发展社会提供重要的科学支撑。

来源：《化工新型材料》2026年第4期

引用格式：万恒成,孙慧洁,刘翔等.二维材料孔径调控与离子选择性研究进展[J].化工新型材料,2026,54(4):51-56.

DOI：10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2026.04.039