膜【mó】分离技术是水处理领域最为常用的技术之一，作为一类新型的高性能膜材料，二维分离膜层间距的精确调控是提高其水通量与截留效率的关键，而插层法是最为有效的调控方法。迄今，高性能纳米级插层剂的开发与应用仍是巨大的挑战，目前最为常用【yòng】的硬【yìng】物质插层剂(如碳纳米管、TiO₂和SiO₂纳米颗粒等)分散性较差，且易破坏二维膜的有序层状结构，造成亚纳米尺寸离子的快速穿透；一些小分【fèn】子插层剂如乙二胺或金属离子易与膜层形成强相互作用，导致层间距较【jiào】窄，水通量较低。
针对上述问题，张炜铭、潘丙才教授课题组借鉴纳米仿生思路，首次提出通过软物质插层剂构建【jiàn】类似水通【tōng】道蛋白通道的新策略。研究以实现污废水中重金属络合物的高效分离与水质净【jìng】化为最终目标，首先制备出聚丙烯腈凝胶软粒子(PAN GPs，1-8nm)作为氧化石墨烯(GO)膜的纳米级插层剂，通过控制GO膜层【céng】间PAN GPs形变、溶胀以及PAN GPs-π作用实现了亚纳米尺度的层间距离精确调控，与此同时GO膜规整的层状结构得以充分保留。此外，通过碱性处理可在PAN GPs表【biǎo】面产生电荷和双疏水/亲水性，有机融合了水通道截留性与水的快速渗透，成功构建出类似水通道/蛋白通道【dào】结构。研究结果表明，该GO复合膜可截留96%以上的重金属络合离子(Cu-NTA、Cu-CA、Cu-EDTA、Ni-EDTA、Cr-EDTA)，水通量是文献报道同类膜的12-05倍。这一研究深入探究了纳米级软颗粒插层剂与氧化石墨烯薄片之【zhī】间的相互作用及其高水通和高截留的限域分离构效机制，提出的软颗粒插层策略有望成为设计和研制高性能水处理二维复合【hé】膜的新方向。
上述研究成果以 “Soft Particles Enable Fast and Selective Water Transport through Graphene Oxide Membranes”（软体颗粒插层强化氧化石墨烯膜水通量和选择性）为题于12-05发表在美国化学学会期刊 Nano Letters 上（DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02724）。论文通讯作者为张炜铭教授和张文彬副研究员，潘丙才教授为共同作者。研究得到了国家重【chóng】点研发计划、国家杰出青年基金等项目资助【zhù】，以及污染控制与资源化研究国家重点实验室、南京大学环境纳【nà】米技术研究中心、南京大学高性能计算中心等平台的大力支持。
图2 GO复合膜内纳米仿生水通道及层间距离调控示意图