科研進(jìn)展
青海鹽湖所研究團隊在《Science》發(fā)表最新研究成果?
隨著(zhù)全球水資源短缺問(wèn)題的日益嚴重，用于污水凈化和海水脫鹽的高效鹽水分離和凈化技術(shù)成為了科學(xué)研究的熱點(diǎn)。二維材料因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在分離膜領(lǐng)域備受關(guān)注。理想的二維材料膜應具備高選擇性和高通量的分子傳輸能力，但目前在二維材料上實(shí)現大面積均勻的亞納米孔結構仍面臨挑戰。傳統的納米孔制備方法（如離子或電子束輻照、化學(xué)或等離子體刻蝕）難以精確控制孔徑和孔密度，導致膜性能受限。因此，探索一種能夠在二維材料合成過(guò)程中直接形成精確孔結構的方法，對于提升分離膜性能具有重要意義。
中國科學(xué)院青海鹽湖研究所柔性引進(jìn)人才石國升研究員團隊在高效鹽水分離和凈化技術(shù)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果在《Science》正刊發(fā)表。該項研究工作中，石國升研究員為共同通訊作者，聯(lián)合華南理工大學(xué)韓宇教授團隊、香港大學(xué)Lain-Jong Li教授團隊及阿卜杜拉國王科技大學(xué)Ingo Pinnau教授、Vincent Tung教授團隊等，通過(guò)精確控制單層二硫化鉬（MoS?）晶界的形成實(shí)現了高效水/離子分離。
石國升研究員團隊基于前期水合離子界面相互作用的新理解，原創(chuàng )性提出離子可以精準調控二維通道尺寸，“裝訂”石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化，此外還首次揭示自然條件下反?；瘜W(xué)計量比晶體Na2Cl/Na3Cl/K2Cl/Li2Cl/CaCl等反晶[Sci. Rep. 3,3436(2013)；?Angew. Chem. Int. Ed. 10,10190 (2014)；Phys. Rev. Lett. 134,12104 (2015)；Phys. Rev. Lett. 117,238102 (2016)；Nature 550,380 (2017)；Nat. Chem. 10,694 (2018)；Natl. Sci. Rev. 8,nwaa274 (2021)；J. Colloid Interface Sci. 648,102 (2023)；Nano Lett. 23,10884 (2023)；Nat. Water 1,800 (2023)；Small 60,21,2408566 (2025)；J. Hazard. Mater. 487,137078 (2025)；J. Am.Chem. Soc. 147,3478 (2025)；Nano Lett. 25,2334 (2025)]?；谶@些前期工作對界面水合離子相互作用的理解以及對受限空間離子篩分和輸運行為的認識，進(jìn)一步發(fā)現通過(guò)調控MoS2晶界納米孔缺陷尺寸，可以實(shí)現有效水/離子分離和離子精準篩分，達到海水淡化及離子精準提取的效果。
研究團隊結合分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計算，揭示了單層MoS?晶界處形成的八元環(huán)（8-MR）孔結構的尺寸篩分效應，該孔徑能夠允許單鏈水分子快速通過(guò)，同時(shí)完全阻止水合離子（如Na?和Cl?）的通過(guò)。因此，單層MoS?晶界處形成的八元環(huán)（8-MR）孔結構可以作為分子篩，有效分離水和離子。實(shí)驗過(guò)程中，研究團隊通過(guò)精確控制MoS?晶粒的生長(cháng)方向（固定0°或60°的相對取向），成功在大面積單層MoS?膜中實(shí)現了豐富的8-MR孔結構。通過(guò)進(jìn)一步調節晶粒生長(cháng)時(shí)間、硫蒸氣壓力等參數，實(shí)現了對晶粒尺寸和晶界密度的精確調控。優(yōu)化后的MoS?膜在多種測試條件下展現出優(yōu)異的性能，如高水滲透性、高離子選擇性以及良好的機械和化學(xué)穩定性。這使得其在海水淡化、污水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，為二維材料在分離膜領(lǐng)域的應用提供了新的思路。該方法不僅能夠精確控制孔結構，還能實(shí)現大面積連續膜的制備，具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。
該研究工作以Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation發(fā)表在Science 2025上，由上海大學(xué)、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所、國科大溫州研究院、華南理工大學(xué)、香港大學(xué)和阿卜杜拉國王科技大學(xué)等單位合作完成，得到了國家自然科學(xué)基金委、青海省昆侖英才計劃、青海省科技廳、香港特別行政區研究資助局、阿卜杜拉國王科技大學(xué)、上海市科委等經(jīng)費支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7489
不同大小的缺陷結構對應不同尺寸的篩分通道，用于水/離子分離
審核：年洪恩
