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摘要
纳米孔二维材料对离子和分子具有出色的过滤能力，能够阻挡大多数离子，但它们的机械性能差限制了它们的应用。目前，石墨烯纳滤膜的设计主要有两大策略：（1）制造具有特定纳米孔的单层石墨烯；（2）氧化石墨烯堆叠形成具有特定二维纳米通道。尽管无缺陷石墨烯表现出了非凡的机械性能，但与规模化生产仍有矛盾：大面积石墨烯中会不可避免的产生面内晶界，严重削弱其机械强度，而孔隙的引入会进一步损害单层石墨烯的结构完整性。
海水占了水资源的大部分比例，海水的淡化和净化是一项重要的技术。一种理想的水处理薄膜应该有几个关键特征:(1)最小的厚度和最大的渗透率；(2)足够的机械强度，避免断裂和溶质渗漏；(3)狭窄的孔径分布，能够有效分离。纳米孔二维(2D)单原子厚度的材料并具有优良的机械强度，并且具有最小运输阻力和最大渗透率，被认为是理想的超薄膜材料。海水淡化过程依赖于分子溶质离子与水分子的分离，膜的任何轻微撕裂或开裂可能会破坏整个海水淡化系统。
鉴于此，武汉大学的袁荃教授和加州大学洛杉矶分校的段镶锋教授（共同通讯作者）等人报道研制了大面积石墨烯-纳米网/单壁碳纳米管（GNM/SWNT）杂化膜。有望更容易实现石墨烯纳滤膜的规模化生产。这种膜在拥有原子级厚度的同时，还具备优异的机械强度。其中，单层的GNM具有高密度的亚纳米孔，而这一GNM/SWNT杂化膜展现出高水渗透性以及对盐离子或者有机分子的选择性分离，在进一步的管式模型中也保持着稳定的性能。
相关成果以题为“Large-areagraphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration”的文章在线发表在Science上。
GNM/SWNT杂化膜进行高效水脱盐处理示意图
原子级薄纳米孔设计的单层石墨烯薄膜纳米粒子(GNM)由交织物支撑单壁碳纳米管网络(SWNTs)强大的、相互连接的SWNT网络。SWNT网络形成了可以支撑GNM的微框架，并同时将GNM隔离成微尺度岛状区域，进一步保证了原子级厚度GNM的结构完整性。大面积，超薄GNM/SWNT复合膜可以作为一种优良的纳滤膜。可在有效输运水分子的同时阻断溶质离子或者分子，呈现出尺寸选择性分离性能。高机械强度的GNM/SWNT复合膜可以防止撕裂和溶质泄漏。
GNM/SWNT杂化膜的制备和结构表征
首先通过化学气相沉积（CVD），以铜箔上的石墨烯为起始材料制备具有高机械强度的石墨烯，均匀且垂直的二氧化硅薄膜打开介孔孔道。然后通过氧等离子体刻蚀制造相对均匀的纳米孔（直径0.3~1.2nm）。GNM/SWNT膜结构完整，无明显孔洞结构，高分辨扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进一步证实了这一结果。这项研究的重要之处在于，它使石墨烯基纳滤膜的面积达到厘米级。在实验室规模的膜系统中进行测试，发现该材料可以从盐水中剔除85％至97％的盐。
GNM/SWNT复合膜的机械强度分析
具有优异的机械强度和灵活性的SWNT网络在GNM/SWNT复合膜中，它能承受较大的变形。一种悬浮在管边缘上的混合膜机械强度足以支撑五枚硬币(~16.0g)。进一步研究了超薄GNM/SWNT杂化膜的拉伸强度和断裂应变，GNM/SWNT膜在整个过程中保持了结构的完整性。
水脱盐性能评价
研究还探讨了水的脱盐性能，SWNT和GNM足以抵抗海水淡化下的水流条件。一个孔径为0.63nm的GNM/SWNT膜最大耐压(P)为~ 60mpa。与之前的理论计算相一致，即多孔基质的存在(开口小于1毫米)将承受超过57 MPa的压力。这些分析表明，GNM/SWNT混合膜具有足够的力学性能强度被用作有效的半透性海水淡化膜。
管式模型中弯曲膜的水脱盐表现
将研究结果进行实用化拓展仍存在许多挑战，但是为石墨烯基纳滤膜的规模化制备带来了全新的启发，为石墨烯和海水淡化领域带来了新思路。
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