【复材资讯】院士团队，诺贝尔奖获得者，石墨烯Science子刊！

2024-06-02

随着工业和生活需求的不断增加，对高效分子传输和分离技术的需求越来越迫切。传统的膜分离技术在水处理、药品制备、能源生产等领域发挥着关键作用，但其效率和选择性仍然面临挑战。为了提高膜分离技术的效率，应对更广泛的工业分离挑战，科学家迫切需要深入了解膜传输机制，开发更先进的膜材料。

在这些材料中，由于其特殊的结构和性能，二维纳米片材料引起了科学家的高度关注。石墨烯、MXene等二维材料具有较大的侧面面积和较厚的原子级，这使得它们成为构建高效膜分离材料的理想选择。这些材料具有可调的间隙孔径和表面化学性质，能够实现高效、有选择的质量传递，从而在气体分离、离子选择、水淡化、净化等领域展现潜在的发展前景。

但是，尽管二维纳米片材料具有很大的潜力，但是在特定的分离过程中应用它仍然面临许多挑战。当前，对这种复杂的纳米通道中液体传输系统的了解还不够，这限制了对特定分离膜的设计和性能优化。另外，随着膜孔径的不断缩小，在溶剂传输过程中，表面-液体的相互作用可能会发挥越来越重要的作用，但目前对这方面的研究仍然有限。

为了解决这个问题，一些科学家开始研究二维纳米片材料的膜结构及其在分离过程中的性能。他们试图理解纳米通道中的溶剂传输机制，并开发新的模型来准确描述溶剂通量。然而，目前对复杂纳米通道中溶剂传输系统的研究仍然有限，尤其是异质通道膜的研究尚未报道。

面对这个挑战，Kostyaa，南京工业大学陆小华，新加坡国立大学功能智能材料研究所 S. Novoselov教授(2010年诺贝尔物理学奖获得者)和莫纳什大学化学与生物工程系王焕庭院士等人在“Science Advances《期刊》发表了题为“Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes”的论文。

本研究旨在解决薄膜中复杂的纳米通道溶剂传送机制问题，用于二维纳米片材料建造。通过实验测量和理论模拟，作者合成了由复原MXene和石墨烯组成的亚纳米异质通道膜，探索其结构和液体传输速度。通过对这些薄膜性能的分析，作者开发了一种新型的亚连续流模型，能够准确预测溶剂通量，并建立了溶剂分子与通道壁相互作用的直接影响。作者的研究为二维纳米片材料的膜设计和改进提供了新的思路和方法，为实现更加有效的分离过程奠定了基础。

/ 研究亮点 /

1. 异质通道膜设计：通过生成MXene/graphene异质通道膜，研究人员创造了一种新型的亚纳米孔膜结构，为纳米片基膜领域的发展带来了新的机遇。

2. 高通溶剂传输:实验数据显示，这些亚纳米通道膜在完全拒绝盐和有机染料的同时，呈现出极高的溶剂通量，为提高膜分离效率提供了新的途径。

3. 理解溶剂传送机制:研究人员提出了亚连续流模型，建立了溶剂分子与通道壁相互作用和溶剂通量之间的直接影响，对亚纳米尺度下的溶剂传送机制进行了深入探讨。

4. 流体参数建模：通过这种模式，研究人员可以准确地预测膜通量，这为纳米片基膜的设计和推广提供了重要的理论指导。

5. 异质膜与同源膜的对比:研究表明，异质通道膜的溶剂传输行为与同源结构的膜有显著差异，为纳米通道中的液体行为提供了一个新的视角。

6. 新膜材料的应用潜力：通过对MXene/graphene异质通道膜的分析，展示了这种新型膜材料在水淡化、有机溶剂分离等方面的广泛应用价值。

/ 图文导读 /

图1. 亚纳米异质通道膜的表征，由替代堆叠的MXene(Ti3C2)和石墨烯组成。

图2. 通过Ti3C2-石墨烯异质通道膜溶剂的透水性。

图3. 亚纳米异质通道对溶剂通量的影响。

图4. 对不同构成膜中溶剂渗透的表层限制。

图5. 模型预测的通量与流体参数有关。

/ 总结展望 /

这篇文章揭示了亚纳米级间隙膜溶剂渗透行为的复杂性，并提出了一种新的子连续流模型来解释这种现象。通过对不同流体参数(如平均密度、粘度和移动长度)在约束下的影响进行深入研究，研究人员透露，液体行为在极端约束环境下与正常情况下有显著差异。它为亚纳米级间隙膜的设计和优化提供了重要的理论指导，可以进一步促进纳米技术在分离和净化方面的应用。

另外，本文为溶剂渗透提供了一个全面的理论框架，通过建立子连续流模型，并通过与实验结论的对比来验证其准确性。该模型考虑了不同流动模式下的初始条件，为进一步研究和预测亚纳米级间隙膜的性能提供了有力的工具，从非连续流动到连续流动提供了完整的描述。通过这一理论模型的建立，科学家可以更好地了解和预测纳米膜的性能，为其在水处理、溶剂分离等领域的应用提供更准确的指导，从而促进纳米技术在环保和资源开发中的应用和发展。

原文信息：Xiaofang Chen et al. ,Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes. Sci. Adv.，(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1455

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