研究提出高效構(gòu)筑二維材料亞納米級(jí)孔洞新策略
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-02-18 21:29:40
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本報(bào)訊（記者朱漢斌）華南理工大學(xué)教授韓宇團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種高效構(gòu)筑二維材料亞納米級(jí)孔洞的新策略，通過精確調(diào)控二維材料中的缺陷結(jié)構(gòu)，不僅顯著提升了水/離子分離性能，還揭示了一個(gè)有趣的悖論——通過精心設(shè)計(jì)的“缺陷”結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)近乎“完美”的水/離子分離。2月14日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》。
二維材料因厚度極小，可極大提高分子輸運(yùn)效率，被認(rèn)為是高性能分離膜的理想平臺(tái)。然而，在二維材料上精確生成用于分子篩分的孔洞，尤其是在大面積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻制備，仍然是材料科學(xué)和工程領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有方法在孔徑控制和孔洞生成效率方面仍存在較大局限。 盡管晶界等結(jié)構(gòu)缺陷通常被視為削弱二維材料性能的不利因素，但該研究表明，通過精確控制二維材料的缺陷結(jié)構(gòu)，可以將其轉(zhuǎn)化為高效分離的功能性通道。研究團(tuán)隊(duì)在單層二硫化鉬薄膜中成功引入大量預(yù)先設(shè)計(jì)的多孔晶界結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了高效水分子和水合離子分離。 該研究采用化學(xué)氣相沉積方法，精準(zhǔn)控制二硫化鉬晶粒的取向與尺寸，使其在生長過程中形成兩種固定的優(yōu)選取向，互成60°角。這一取向關(guān)系生成了多種可預(yù)測的晶界結(jié)構(gòu)，其中8元環(huán)（8-MR）結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究表明，8-MR孔徑適合水分子快速通過，同時(shí)有效阻擋多種水合離子。因此，當(dāng)這些單層二硫化鉬薄膜用作分離膜時(shí)，獲得的水分子對(duì)水合離子的選擇性極高，同時(shí)水通量大幅提升，遠(yuǎn)超當(dāng)前最先進(jìn)的海水淡化膜。相比之下，未經(jīng)取向控制的二硫化鉬僅形成少量8-MR結(jié)構(gòu)，主要由更小且不可滲透的7-MR結(jié)構(gòu)組成，致使水通量下降，水/離子選擇性也較低。 8-MR孔道的“單鏈水”輸運(yùn)行為與生物水通道蛋白高度相似，但不同于生物膜材料，無機(jī)二硫化鉬膜更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，并可廣泛應(yīng)用于各種非生物相容性環(huán)境。 相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1126/science.ado7489 《中國科學(xué)報(bào)》 (2025-02-17 第1版 要聞)
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