学者开发出分离性能可切换的石墨烯智能分离膜

智能膜与主动分离技术是膜探索的新兴领域，可以在外界的刺激下实现分离特性的可逆调控。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等合作发现，将氧化石墨烯和石墨烯纳米片混合组装成复合膜，可将原本对溶剂刺激无响应的氧化石墨烯和石墨烯膜转化为对溶剂类型有明确响应、可切换分离性能的智能膜材料。《自然-通信》发表了相关研究成果。

研究发现，氧化石墨烯膜在水和甲醇中的分离性能是一致的(截留分子量为每摩尔319克);石墨烯膜没有明显的分离性能;水中氧化石墨烯/石墨烯复合膜的截留分子量与氧化石墨烯膜相同，但甲醇上升至每摩尔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化。

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。然而，在这项研究中，单层氧化石墨烯/石墨烯复合膜只能通过转换溶剂来调节分离性能，从而实现三种分子的高效分离。

研究小组通过分析智能薄膜中水和有机溶剂的渗透通量和溶剂粘度之间的依赖关系，发现薄膜中两者的传质通道不同，从而揭示了可切换分子筛分行为不是由于传统的“随溶剂变化的孔径”，而是由于传输路径的变化。他们发现氧化石墨烯-氧化石墨烯纳米通道主要发生在水中;然而，在有机溶剂中，氧化石墨烯-石墨烯的异质传质通道被切换到。

根据理论计算，由于通道表面对有机溶剂的限域增强吸附和有机溶剂分子之间的弱相互作用，异质通道结构增溶，从而在有机溶剂中表现出截留分子量增加的独特分离特性。

在研究相对成熟的氧化石墨烯膜系统中引入石墨烯，发现了一种新型的智能分离行为，可以切换溶剂。研究揭示了纳米异质通道内界面吸附和溶剂网络在限域传质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。