氧化石墨烯（GO）膜在该应用中具有巨大潜力，但其在水环境中的结构不稳定性限制了其应用。
本研究介绍了一种基于多孔氧化石墨烯（PGO）的复合膜，并在其上原位生长了二维 1,4-苯二甲酸铜（CuBDC）纳米片。通过 Cu²⁺ 离子与 PGO 上含氧基团之间的强配位作用，CuBDC 在 PGO 层状结构内受限生长，这不仅稳定了 PGO 的层状结构，还由于 CuBDC 具有合适的孔径而赋予了膜对 NaCl 的截留能力。
所得复合膜在常规渗透汽化中表现出 124 kg·m⁻²·hour⁻¹ 的高水通量，在低能耗水载体渗透汽化中通量为 89 kg·m⁻²·hour⁻¹，且 NaCl 截留率始终保持在 99.9% 以上。技术经济分析表明，使用该复合膜在水载体渗透汽化过程中进行海水淡化，年运行成本较低。总体而言，本研究为稳定 PGO 膜并保持其优异选择性提供了一种有前景的策略，为发展更节能的海水淡化技术铺平了道路。
在这项工作中，我们通过在 PGO 骨架内限域原位生长二维 CuBDC 纳米片，开发出了一种结构稳固且在水环境中稳定的 CuBDC@PGO 复合膜。Cu²⁺ 离子与 PGO 纳米片上含氧基团之间的强配位作用有效抑制了溶胀，并增强了膜在水环境中的稳定性。通过减小 PGO 的片径尺寸，我们增加了反应位点的密度，从而提高了 MOF 的负载量并改善了膜的性能。
所得膜表现出优异的海水淡化性能。在反渗透模式下，该复合膜的透水性与当前商业反渗透膜相当。然而，在常规渗透汽化模式下，该膜实现了创纪录的 124 kg·m⁻²·hour⁻¹ 的高通量，且盐截留率 > 99.9%，性能优于现有大多数基于 GO 和基于 MOF 的膜。值得注意的是，在低能耗的水载体渗透汽化过程中，该膜在 72 小时内保持了 89 kg·m⁻²·hour⁻¹ 的高通量，并具有优异的长期稳定性。综合技术经济分析进一步证实，水载体渗透汽化是最具成本效益的模式，其资本和运营成本均显著低于反渗透和常规渗透汽化。
本研究通过实现分子水平上具有更高选择性的稳定层状结构，解决了开发高性能 MOF/GO 复合膜的关键挑战。它还介绍了一种制备坚固、节能膜的有前景的策略。这些发现为先进的海水淡化及其他可能的分离过程开辟了新途径，因为所提出的 PGO-MOF 膜制备方法具有通用性，可轻松应用于多种 PGO-MOF 组合，充分利用 MOF 的化学多样性及其在 PGO 片层中的靶向集成。例如，在 PGO 膜上原位生长疏水性 MOF 可能适用于有机溶剂纳滤。未来的研究有望将这种方法扩展到其他先进材料，特别是共价有机框架，以探索其通用性和更广泛的应用潜力。PGO 中空纤维膜提供了一个有利的界面平台，可以限制和控制成核与晶体生长，从而能够形成高度取向、结晶且超薄的 COF 层。这些特性可能有利于高性能分离应用，值得进一步研究。
论文标题：Stable porous graphene oxide membranes enabled by confined growth of 2D MOF nanosheets for high-performance desalination
DOI: 10.1126/sciadv.aee2550
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