Nano Lett. | 气液界面CO₂跨膜输运的调控机制

背景介绍

在 CO₂分离与捕集研究中，通过孔径筛分、表面吸附、极性官能团或表面电荷来增强 CO₂与膜材料之间的相互作用，是促进 CO₂ 跨膜输运的经典思路。对于常规气相分离体系，这一策略已被广泛用于设计高通量、高选择性的纳米孔材料。然而，当研究对象从纯气相 CO₂分离转向更复杂的气-液界面传输时，原有认识可能并不总是适用：水分子不再只是背景介质，而会直接重构纳米孔口的局部环境。

气液分离在碳捕集、水质检测和碳基分析技术中具有重要意义。以膜式总有机碳（TOC）分析技术为例，样品中的有机碳被氧化为 CO₂后，需要从液态样品进入气液分离膜，再从膜体气相中转移至液相吸收检测侧，同时液相样品中的盐离子等干扰物应被有效阻挡。膜的 CO₂ 传质效率影响检测速度，离子阻隔能力则关系到分析有效性与准确性。传统聚合物气液分离膜厚度较大、孔径结构调控有限；纳米孔石墨烯膜兼具原子级厚度、高化学稳定性和可设计纳米孔边缘结构，为理解并调控气液界面 CO₂ 输运提供了理想模型平台。

图 1. 气-液界面中石墨烯纳米孔 CO₂传输模型与不同孔边结构设计。

文章亮点

近日，北京大学王路达教授与北京石墨烯研究院侯丹丹研究员团队在 Nano Letters 上发表研究论文，利用分子动力学模拟系统研究了纳米孔石墨烯膜在气-液界面中的 CO₂ 传输机制。研究团队构建了气相 CO₂ / 纳米孔石墨烯 / 液相水的模型体系，并比较了多种官能团修饰的多类纳米孔结构。

研究表明，理想孔径需要在 CO₂动力学直径与水合盐离子直径之间取得平衡：孔太小会阻止 CO₂ 通过，孔太大则可能导致 Na⁺ 等水合离子泄漏。部分氢终止纳米孔能够在允许 CO₂输运的同时保持较好的离子阻隔能力，说明孔径、孔边柔性和界面环境共同决定了气液分离性能。

更重要的是，研究发现了一个反直觉现象：在气-液界面条件下，增强表面电荷并不一定促进 CO₂传输。随着石墨烯表面负电荷增加，水分子更容易在孔口附近定向排列并形成致密的界面水合层。当表面电荷达到较高水平时，即使纳米孔尺寸明显大于 CO₂ 分子，CO₂输运过程仍会被显著抑制。换言之，真正“堵住”CO₂ 通道的并不只是孔径本身，而是孔口附近被电荷诱导形成的水壳层。

图 2. 表面电荷增强孔口水合并抑制 CO₂ 传输的分子机制。

类似的水合阻塞机制也出现在极性官能团修饰的纳米孔中。传统认识中，极性基团常被认为可以增强 CO₂ 吸附或传输；但在本研究的气-液界面体系中，羟基、羧酸根和铵基等极性或带电基团会提高孔边亲水性，诱导水分子在孔口聚集，形成有序水网络，从而降低 CO₂通过效率。同时，带电官能团还可能促进盐离子竞争性传输，不利于 TOC 分析等场景中对离子干扰物的排除。

图 3. 极性官能团引发水分子富集及 CO₂传输降低。

总结/展望

该工作揭示了气-液界面 CO₂ 输运过程中一个关键调控因素：界面水合。相比单纯调节孔径或增强分子吸附作用，控制孔口附近水分子的分布和取向更直接地决定了 CO₂ 能否高效通过纳米孔。研究结果表明，疏水、近电中性的孔边环境更有利于提高 CO₂ 输运效率并维持离子阻隔，而过强的电荷和极性相互作用可能因诱导形成水壳层而适得其反。

这一发现为面向膜基碳捕集、水质检测和 TOC 分析仪的纳米孔石墨烯膜设计提供了分子尺度依据。未来，通过协同调节石墨烯孔径分布、孔边化学环境和支撑结构，有望实现兼具高 CO₂通量、强离子阻隔和可调传输能力的新型气液分离膜。

相关论文发表在Nano Letters上，北京大学博士研究生杨婧为文章的第一作者，王路达研究员为通讯作者，北京石墨研究院侯丹丹研究员为联合通讯作者。以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等支持。

原文信息

英文原题：Tunable Gas–Liquid Separation by Surface Charge Modifications: Toward Membrane-Based Carbon Capture and Detection

通讯作者：王路达，北京大学；侯丹丹，北京石墨烯研究院

作者：Jing Yang（杨婧），Haiou Zeng（曾海鸥），Ningran Wu（吴宁然），Zeyu Zhuang（庄泽宇），Narayana R. Aluru，Dandan Hou（侯丹丹），Luda Wang（王路达）

Nano Lett. 2026,26, 26, 7645−7654

Publication Date: June 17, 2026

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01164

通讯作者信息：

王路达 研究员

王路达为北京大学集成电路学院及前沿交叉学科研究院纳米科技中心特聘研究员，博士生导师，入选国家高层次青年人才项目。有多年从事纳流体、微纳传感器和二维分离膜方面的研究经验。首次开发了“气体分子二极管”、高性能气体传感器、纳流体忆阻器；实现了大面积石墨烯分离膜的制备，并成功应用于膜式总有机碳分析仪中。其研究成果在精准检测、高效分离等方面有广泛的应用前景。发表高水平论文50余篇，包括Nature Materials，Nature Nanotechnology，Nano Letters，Advanced Materials， Science Advances，Nature Communications, Sensors and Actuators B/A，和J. of Membrane Science等。

侯丹丹 研究员

侯丹丹为北京石墨烯研究院研究员，有多年从事石墨烯膜高效分离与稳定传质及其在精密分析仪器、水质检测中的应用研究经验，以第一作者/通讯作者发表高水平论文15篇。