石墨烯分离膜近几年可谓火遍大江南北。最初，研究者们为石墨烯分离膜描绘出了一幅动人的前景：石墨烯片层间形成仅能容纳水分子通过的通道；碳原子层间摩擦阻力极小，水分子可快速通过等等。

    石墨烯分离膜近几年可谓火遍大江南北。最初，研究者们为石墨烯分离膜描绘出了一幅动人的前景：石墨烯片层间形成仅能容纳水分子通过的通道；碳原子层间摩擦阻力极小，水分子可快速通过等等。

    然而这些年过去了，大家才逐渐发现，理想与现实之间还存在着不小的差距。为了便于操作，研究者使用了氧化石墨烯来代替石墨烯，导致孔隙变大，同时空隙率也低于传统的聚合物膜，石墨烯的通量与截留均较难达到理想状态，与传统聚合物分离膜相比，并没有优势。

    感觉到被忽悠了的研究者们，要么果断弃坑，要么竭尽全力尝试各种方法调控石墨烯的结构，或在制备过程中加入其它组分对其片层间距进行调控。

    最近，美国南加州大学（USC）Miao Yu教授课题组发表在Nano Letters上的文章，或许找到了改善石墨烯分离膜性能最简单的方法，那就是——多点耐心。

    研究者们使用了同批制备的相同量氧化石墨烯，利用最为常见的抽滤法来制备分离膜。

    他们发现，仅通过改变石墨烯沉积的速率——将速度减慢为之前的十二分之一，可显著改善石墨烯片层的堆砌结构，使得其通量与截留同时得到显著提升。而导致这一提升的主要因素是：在缓慢抽滤的过程中，石墨烯片层能够更好的组装：氧化区域与氧化区域相对，未氧化区域与未氧化区域相对。

    两种不同过程导致的石墨烯堆砌方式差别。图片来源：Nano Lett.

    降低抽滤速度后，片层间距首先发生了变化：从0.84 nm略微减小至0.82 nm，对应的还原后石墨烯膜的孔径也由0.39 nm减小至0.35 nm左右。

    选择渗透性实验表明，缓慢抽滤的石墨烯膜选择渗透性也更好（缓慢抽滤的膜还原前对己烷与2,2-二甲基丁烷的选择性为5.3，还原后则达到13.3；而快速抽滤的膜对应选择性仅为1.0与2.0）。通过对不同速度下抽滤的双层表面高度进行统计分析，可以发现缓慢抽滤得到的石墨烯双层厚度分布更窄。

    两种石墨烯膜的结构差别。图片来源：Nano Lett.

    通过计算机模拟他们发现，氧化区对氧化区，非氧化区对非氧化区的结构在热力学上更加稳定，随着时间的推移更易组装成这样的结构。同时，对于慢速抽滤得到的组装结构随着条宽的增加会使通量急剧上升。

    不同抽滤速度制备的石墨烯膜及其性质。图片来源：Nano Lett.

    随着膜厚度的增加，慢速抽滤得到的组装结构与快速抽滤得到的组装结构对水的通量的差距越来越大，在118 nm厚度时，前者为后者的4倍。在4.7 nm厚度膜对盐的截留实验中，慢速抽滤得到的膜同样具有更好的表现，而且这种优秀表现在2小时内几乎检测不到变化，稳定性颇佳。

    膜的水通量与对盐的截留。图片来源：Nano Lett.

    ——总结——

    Miao Yu教授课题组发现仅仅降低单层氧化石墨烯沉积的速率，就能使得到的石墨烯膜在通量、截留（选择性）上双双有所提升，打破了常规调控过程中通量与截留此消彼长的规律。

    可见，优化制备过程可能比优化材料结构获得更大的性能提升，材料在不同尺度下的堆砌方式对其性能影响更为显著。这种超薄高性能氧化石墨烯膜在水净化领域有着光明的应用前景。

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责任编辑：庞雪洁

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