近日，清华大学材料学院朱宏伟教授课题组在NPG Asia Materials杂志发表了题为《氧化石墨烯/氢氧化物纳米片超晶格复合薄膜的高选择性电荷驱动离子传输》(Highly selective charge-guided ion transport through a hybrid membrane consisting of anionic graphene oxide and cationic hydroxide nanosheetssuperlattice units)的研究论文，设计了一种由带负电的氧化石墨烯和带正电的氢氧化物纳米片构成的分离膜，实现了受电荷调控的选择性离子传输。
   发展石墨烯功能渗透膜使其具有高效过滤与分离溶液中不同溶质分子和离子的能力对于一系列诸如污水处理与再利用、化工精炼等工程相关应用极其重要。该研究工作中设计并制备了由氧化石墨烯与氢氧化物纳米片异质超晶格结构单元重构而成的大面积层状复合薄膜，实现了由高效电荷驱动的离子分离。所得到的全纳米片异质组装复合薄膜具有一系列优点，例如，制备方法简单、力学强度高、大面积、可独立存在、柔性、半透明。复合薄膜的层间距对湿度变化不敏感，保证了其液相传质应用过程中的结构稳定性。浓度梯度驱动离子跨膜传输实验表明，不同价态的金属阳离子可严格根据其电荷数得到有效分离，而不受阴阳离子种类的影响。单价与三价金属阳离子的相对选择比高达30，而其它参照薄膜(例如，氧化石墨烯薄膜、氢氧化物纳米片薄膜及其二者的体相分层薄膜)则无法达到，表明氧化石墨烯与氢氧化物纳米片分子尺度异质自组装所产生的协同效应在复合薄膜的高效电荷驱动离子过滤与分离过程中发挥了主导作用。氧化石墨烯/氢氧化物纳米片复合薄膜的上述优异性能使其在污水处理与再利用、化工精炼、仿生选择性离子输运等领域具有应用潜力。
   朱宏伟教授课题组自2013年以来在石墨烯功能渗透膜的制备及传质特性研究领域取得了一系列进展，系统研究了氧化石墨烯薄膜的选择传质特性及其产生机制(ACS Nano, 2014, 8, 850, ACS Nano, 2013, 7, 428)，探索了氧化石墨烯薄膜在过滤与分离领域的多元化应用(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201502595)，发展了基于氧化石墨烯与氧化钛纳米片异质复合层状薄膜并实现了高效水脱盐应用(NPG Asia Mater., 2015, 7, e162)，本工作中所发展的氧化石墨烯与氢氧化物纳米片超晶格异质复合薄膜并实现高选择性电荷驱动离子传输与分离是上述系列研究工作后的又一进展。
   以上工作与日本物质材料研究所(NIMS)合作完成。研究工作受到北京市科技计划重大项目、新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室自主科研基金的支持。