近年來，以氧化石墨烯(GO)為代表的二維膜制備及其在分子尺度的篩分研究成為分離領(lǐng)域的研究熱點，但GO膜在水相體系中存在結(jié)構(gòu)及性能不穩(wěn)定性，對環(huán)境變化較為敏感，從而限制其實際應用。

另外，GO膜的研究目前主要集中在水相體系中，而一些特定的生物或藥物領(lǐng)域所使用的手性分離膜，需要在非水相體系中實現(xiàn)對應異構(gòu)體的高效分離。

具有類似GO膜特性的GCN基分離膜的性能探究目前尚處于初級階段，而如何充分發(fā)揮其層間距和層間環(huán)境可調(diào)的特性、化學惰性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的納米尺度下的選擇性滲透亟待研究。

相關(guān)研究成果以Graphite phase carbon nitride based membrane for selective permeation 為題，于6月7日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2019, 10, 2500)。論文的第一作者是中國科大博士研究生王洋。

GCN共軛平面結(jié)構(gòu)中具有確定分布的氮原子，氮上的孤電子可以被強質(zhì)子酸(比如硫酸，SA)質(zhì)子化，而強酸陰離子可以同時嵌入到GCN的納米片層之間，并可在亞納米尺度精確調(diào)控層間距離。

GCN-SA復合納米結(jié)構(gòu)使可供分子/離子自由進出的有效層間距增大10.8埃。研究人員發(fā)現(xiàn)這種質(zhì)子化的GCN與酸根離子之間的靜電作用使得制備出的納米復合物及納米級厚度的薄膜非常穩(wěn)定且具有兩親性。

具有匹配尺寸的待分離物種可以選擇性通過GCN-SA薄膜中陰離子支撐的層空間，并表現(xiàn)出明確的溶質(zhì)分離截斷半徑，從而在亞納米尺度下實現(xiàn)對不同尺寸和電荷的分子/離子的精準篩分(圖1)。

圖1.(a)強酸陰離子嵌入質(zhì)子化的GCN進行層間距精準調(diào)控示意圖。R-SO3代表Bronsted酸根離子；(b)GCN-SA薄膜對不同尺寸的溶質(zhì)分子的篩分效應示意圖；(c)納米級厚度GCN-SA薄膜在亞納米尺度下的精準篩分性能，內(nèi)置圖為不同溶質(zhì)的截留率和水合半徑之間的關(guān)系。

研究人員繼續(xù)利用這一概念，通過引入手性樟腦磺酸(CSA)，在GCN質(zhì)子化和離子嵌入層間的過程中，一方面實現(xiàn)對層間距進行精準調(diào)控，另一方面改變層間化學環(huán)境，引入手性位點。

研究結(jié)果顯示，GCN-CSA手性分離膜對不同分離物種具有明確的截斷分子量，一系列對映異構(gòu)體在GCN-CSA薄膜中的滲透表現(xiàn)出較好的選擇性，并可通過優(yōu)化參數(shù)得到檸檬烯對映體過量值為89%的高效選擇性滲透(圖2)。

圖2.(a)GCN基手性分離膜對不同對映異構(gòu)體的立體選擇性滲透示意圖；(b-d)GCN-CSA薄膜對檸檬烯外消旋體進行(b-c)等壓和(d)給壓滲透，F(xiàn)eed端和Permeate端溶液的CD信號強度隨滲透時間的變化。

綜上，這項工作闡述了惰性GCN的普適性功能化策略，為精確調(diào)控二維材料的層間距和層間化學環(huán)境提供新的研究思路，實現(xiàn)了GCN基分離膜在亞納米尺度下的精準篩分和立體選擇性滲透性能，并使二維材料基手性分離膜在一些特定領(lǐng)域(如制藥和生物)的應用成為可能。

該項研究得到國家自然科學基金面上項目、中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金和安徽省自然科學基金的資助。

來源：中國海水淡化與水再利用學會