郑州大学许群/崔鑫炜、阿尔伯塔大学曾宏波 Nat. Commun.:分子限域传输新现象
2023-10-26 来源:高分子科技
在传统分子扩散理论的限制下,“高效离子阻隔”与“快速水分子传输”是一对矛盾体,二者相互制约、难以调和,因此如何在海水淡化和工业水净化应用中实现离子与水的高效、快速分离面临巨大挑战。近日,郑州大学的许群、崔鑫炜教授与加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授合作,报道了一种富含0.6 nm石墨烯限域孔道的二维纳滤膜,发现了在纳米限域条件下类晶态二维有序水的存在,以及基于牛顿摆机制的非扩散、快速水分子传输机制,成功达成了高效离子阻隔(~10–4 mol m–2 h–1)与高速水通量(45.4 L m–2 h–1)的同步实现。该现象不仅从分子尺度上丰富了我们对于孔结构与分子传输之间构效关系的认识,而且还为抑制液态物质内的扩散、提升固态物质内分子离子的传输速率提供了重要思路,对纳米流体学、能源存储与转换、离子晶体管、生命科学等领域都有着较为广泛的理论指导与实际应用意义。相关成果“Anomalous water molecular gating from atomic-scale graphene capillaries for precise and ultrafast molecular sieving”发表于国际知名期刊Nature Communications(DOI: 10.1038/s41467-023-42401-4)。论文的共同一作为郑州大学河南先进技术研究院硕士生张倩、材料科学与工程学院博士生高波以及关键金属河南实验室的青年教师张凌。该工作还得到了中科院理化所江雷院士和郑州大学曹亦俊教授的指导和帮助。
图1. 基于牛顿摆机制的非扩散、快速水分子传输现象的示意图。
图2 . 单层Ni-pPD二维纳米岛在rGO表面均匀分布的二维异质结材料。
图3 . Ni-pPD@rGO二维异质结π-π重堆叠产生的0.6 nm石墨烯基限域孔道。
图4 . 重堆叠Ni-pPD@rGO纳滤膜(MOGM)的反常渗透现象。
图5. 石墨烯基纳米限域孔道内水分子结构表征与计算。
图6. 分子动力学模拟计算及渗透性能对比。
论文信息:Anomalous water molecular gating from atomic-scale graphene capillaries for precise and ultrafast molecular sieving.
Qian Zhang, Bo Gao, Ling Zhang, Xiaopeng Liu, Jixiang Cui, Yijun Cao, Hongbo Zeng, Qun Xu, Xinwei Cui & Lei Jiang
Nat. Commun. 14, 6615 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42401-4
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(责任编辑:xu)
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