学者开发了分离性能可切换的石墨烯智能分离膜

智能薄膜和主动分离技术是薄膜探索的一个新兴领域，可以在外部刺激下实现分离特性的可逆调节。近日，清华大学深圳国际研究生院副教授苏阳、山东理工大学副教授赵金平、大连理工大学副教授张宁发现，将氧化石墨烯和石墨烯纳米片混合组装成复合膜，可将氧化石墨烯和石墨烯膜转化为对溶剂类型反应明确、分离性能可切换的智能膜材料。相关研究成果发表在《自然通信》上。

研究发现，氧化石墨烯膜在水和甲醇中具有相同的分离性能(截留分子量为319克/摩尔);石墨烯膜没有明显的分离性能;氧化石墨烯/石墨烯复合膜在水中的截留分子量与氧化石墨烯膜相同，但在甲醇中上升到每摩尔960克，溶剂响应的分离行为可以在水和甲醇之间快速可逆地转换。

研究人员进一步将复合膜应用于智能分级分离。通常，含有三种分子的溶液至少需要两种膜材料才能实现分级分离，但在本研究中，单个氧化石墨烯/石墨烯复合膜只能通过转换溶剂来控制分离性能，从而有效地分离三种分子。

通过分析智能薄膜中水和有机溶剂的渗透通量与溶剂粘度之间的依赖关系，研究小组发现薄膜中的传质通道不同，揭示了可切换的分子筛分行为不是由于传统的“孔径随溶剂而变化”，而是由于传输路径的变化。他们发现，在水中，传质主要发生在氧化石墨烯-氧化石墨烯纳米通道中;但在有机溶剂中，它被切换为氧化石墨烯-石墨烯的异质传质通道。

理论计算表明，由于通道表面对有机溶剂的限域增强和吸附，以及有机溶剂分子之间的弱相互作用，通道结构增加了溶解度，然后在有机溶剂中呈现出截留分子量增加的独特分离特征。

石墨烯被引入到相对成熟的氧化石墨烯薄膜系统中，发现了溶剂可切换的新型智能分离行为。通过调节分子传输路径而不是孔径变化，揭示了纳米异质通道内界面吸附和溶剂网络在限域传输和分离中的关键作用，为智能响应膜材料的设计提供了新的思路。