石墨烯分離膜近幾年可謂火遍大江南北。最初，研究者們為石墨烯分離膜描繪出了一幅動人的前景：石墨烯片層間形成僅能容納水分子通過的通道；碳原子層間摩擦阻力極小，水分子可快速通過等等。

    石墨烯分離膜近幾年可謂火遍大江南北。最初，研究者們為石墨烯分離膜描繪出了一幅動人的前景：石墨烯片層間形成僅能容納水分子通過的通道；碳原子層間摩擦阻力極小，水分子可快速通過等等。

    然而這些年過去了，大家才逐漸發現，理想與現實之間還存在著不小的差距。為了便于操作，研究者使用了氧化石墨烯來代替石墨烯，導致孔隙變大，同時空隙率也低于傳統的聚合物膜，石墨烯的通量與截留均較難達到理想狀態，與傳統聚合物分離膜相比，并沒有優勢。

    感覺到被忽悠了的研究者們，要么果斷棄坑，要么竭盡全力嘗試各種方法調控石墨烯的結構，或在制備過程中加入其它組分對其片層間距進行調控。

    最近，美國南加州大學（USC）Miao Yu教授課題組發表在Nano Letters上的文章，或許找到了改善石墨烯分離膜性能最簡單的方法，那就是——多點耐心。

    研究者們使用了同批制備的相同量氧化石墨烯，利用最為常見的抽濾法來制備分離膜。

    他們發現，僅通過改變石墨烯沉積的速率——將速度減慢為之前的十二分之一，可顯著改善石墨烯片層的堆砌結構，使得其通量與截留同時得到顯著提升。而導致這一提升的主要因素是：在緩慢抽濾的過程中，石墨烯片層能夠更好的組裝：氧化區域與氧化區域相對，未氧化區域與未氧化區域相對。

    兩種不同過程導致的石墨烯堆砌方式差別。圖片來源：Nano Lett.

    降低抽濾速度后，片層間距首先發生了變化：從0.84 nm略微減小至0.82 nm，對應的還原后石墨烯膜的孔徑也由0.39 nm減小至0.35 nm左右。

    選擇滲透性實驗表明，緩慢抽濾的石墨烯膜選擇滲透性也更好（緩慢抽濾的膜還原前對己烷與2,2-二甲基丁烷的選擇性為5.3，還原后則達到13.3；而快速抽濾的膜對應選擇性僅為1.0與2.0）。通過對不同速度下抽濾的雙層表面高度進行統計分析，可以發現緩慢抽濾得到的石墨烯雙層厚度分布更窄。

    兩種石墨烯膜的結構差別。圖片來源：Nano Lett.

    通過計算機模擬他們發現，氧化區對氧化區，非氧化區對非氧化區的結構在熱力學上更加穩定，隨著時間的推移更易組裝成這樣的結構。同時，對于慢速抽濾得到的組裝結構隨著條寬的增加會使通量急劇上升。

    不同抽濾速度制備的石墨烯膜及其性質。圖片來源：Nano Lett.

    隨著膜厚度的增加，慢速抽濾得到的組裝結構與快速抽濾得到的組裝結構對水的通量的差距越來越大，在118 nm厚度時，前者為后者的4倍。在4.7 nm厚度膜對鹽的截留實驗中，慢速抽濾得到的膜同樣具有更好的表現，而且這種優秀表現在2小時內幾乎檢測不到變化，穩定性頗佳。

    膜的水通量與對鹽的截留。圖片來源：Nano Lett.

    ——總結——

    Miao Yu教授課題組發現僅僅降低單層氧化石墨烯沉積的速率，就能使得到的石墨烯膜在通量、截留（選擇性）上雙雙有所提升，打破了常規調控過程中通量與截留此消彼長的規律。

    可見，優化制備過程可能比優化材料結構獲得更大的性能提升，材料在不同尺度下的堆砌方式對其性能影響更為顯著。這種超薄高性能氧化石墨烯膜在水凈化領域有著光明的應用前景。

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責任編輯：龐雪潔

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