分离膜

本文介绍了一种通过纳米多孔氧化石墨烯（NPGO）与GO纳米片的异质共组装获得的结构工程化纳米多孔氧化石墨烯膜（N-GOm）。NPGO纳米片以纳米多孔sp³碳域和氧官能团为特征，协同增强了水亲和性，有效提升了水吸附能（Eads）。N-GOm集成了有缺陷的sp³/sp²异质堆叠空腔以促进水传输，有效提高了溶液自扩散系数（D），从而间接改善了扩散活化能（ED），而石墨化sp²堆叠区域则确保了结构稳定性并实现了精确的分子筛分。其中，热交联的rN-GOm实现了18.4 kg·m⁻²·h⁻¹的卓越通量，凸显了其在工业溶剂脱水中的应用潜力。这些互补的结构特性通过密集的筛分通道和互连的内部路径实现了快速、高选择性的传输，为碳微环境和堆叠结构如何调控超薄二维膜中的吸附与扩散提供了原子尺度的见解。

该研究通过改进后的共价修饰法，实现手性氨基酸（如脯氨酸Pro）在GO纳米片表面的高效接枝，制备出选择剂高负载的Pro-GO复合纳米片，后采用真空抽滤使之自组装成膜。原子力显微镜（AFM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、XPS能谱分析、接触角等表征结果证明氨基酸高效修饰，膜结构呈规整的层状排列，且亲水性增强。

本文通过超声辅助酸刻蚀制备荷电增强多孔氧化石墨烯(CPGO)纳米片，并将其嵌入聚合物基体中，利用多离子通道构建与静电排斥协同策略实现高效选择性离子传输。酸刻蚀使多孔表面暴露出更多含氧基团，不仅有利于CPGO的均匀分散，还能提升孔辅助离子通道与界面水桥离子通道的连通性，同时在碱性电解液中CPGO上的羧基可为K⁺传输提供位点，更强的界面作用还能有效减小离子簇尺寸，使离子选择性提升2.1倍。

在工作中利用纳米孔石墨烯膜相对简单的二维纳米孔结构，开展了高温工业氢气分离的研究。系统地进行了200°C以上的单组分和混合气体渗透实验与建模，实验揭示了石墨烯纳米孔中的显著温度依赖性气体扩散，扩散过程由边缘激活，且随着温度升高，选择性得到改善。通过设计纳米孔材料和表面官能团的动态特性，增强了孔隙膜的性能，对开发使用分子筛机制的耐高温策略方面具有一定的意义。

近日，北京大学集成电路学院王路达和力学与工程科学学院宋柏合作团队在限域输运领域实现突破，以“An ångström-scale Janus aperture as a gas flow rectifier”为题，在Nature Materials期刊发表研究论文。团队结合精密实验观测与高通量理论计算，首次揭示并系统阐释了多种典型气体分子（不同组分、形状、大小）跨石墨烯埃米孔的整流现象，整流比可高达两个数量级。

为了增强氢气选择性，将石墨烯纳米带（GNRs）引入 ZIF-8 填料中，形成了一种有利于氢气传输的物理限域结构。将这种金属-有机框架（MOF）/GNR 填料嵌入聚酰亚胺（PI）基质后，所得膜比纯 PI 膜具有更高的 H₂ 渗透性（298 Barrer，+40%）和 H₂/N₂ 选择性（15，+25%）。特别地，所制备的不对称膜在 35°C 时实现了 212±45 GPU 的 H₂ 渗透率和 19±2 的 H₂/N₂ 选择性。