类石墨烯膜材料用于气体分离、海水脱盐的理论研究

Nowadays, gas separation and seawater desalination are important topics in energy, environment and water research fields, where the key is the membrane material and separation technology. Traditional membrane separation has many problems, such as high cost, serious membrane pollution, and low separation performance. Graphene and graphene-like layered materials are considered to be very promising next-generation separation membranes due to their unique physical and chemical properties. In the project, using the first-principles calculations and classical molecular dynamics simulations, we plan to theoretically study the separation performance and mechanism of the designed graphene-like membranes. From tuning or modifying the pores and interlayer nanochannels between the neighboring nanosheets, this project will design novel monolayer, bilayer and multilayer nanoporous membranes, investigate the influence of the pore shape and size, functionalization of pore edge and surface as well as interlayer space on separation performance, and analyze in-depth the interaction between gas molecules, hydrated ions, water molecules and the surface and pore of membrane materials to discover the underlying microscopic mechanism. We hope to provide theoretical foundation and guidance for designing and fabricating high-performance, energy-saving and environment-friendly membranes in gas separation and seawater desalination with desirable permeability and selectivity.

气体分离、海水脱盐是能源、环境和水相关研究中的重要课题，其关键取决于膜材料和分离技术。传统的膜分离能耗高、膜污染严重和分离性能低，而以石墨烯为主的层状材料由于其特殊的物理化学性质，成为最具希望的新一代过滤分离膜。本项目拟采用第一性原理计算和分子动力学模拟研究类石墨烯膜材料的分离性能与机制，调控和改性纳米孔洞和层间缝隙两个传输通道，设计单层、双层和多层多孔膜材料，研究孔洞形状和大小、孔边缘和表面官能团修饰以及层间间距等方面对分离性能的影响，深入分析气体分子、水合离子、水分子与膜表面以及孔隙的相互作用来揭示其微观分离机制，为设计和制备高渗透通量和高选择性的节能环保分离膜材料提供理论依据与指导。

研究水分子和盐离子在纳米限域通道中的传输机制以及通道的脱盐能力可以为我们更好的设计和制备高渗透通量和高选择性的节能环保分离膜材料提供理论依据与指导。本项目采用分子动力学方法对基于石墨烯、碳纳米管设计而成的零维、一维、二维纳米通道的传输行为及脱盐能力进行了系统研究。首先，通过对多孔石墨烯的研究，发现施加垂直于水传输方向的横向电场，不仅可以保持高的水通量，而且脱盐率也满足要求，使具有大孔径的多孔石墨烯膜用于海水淡化成为可能。其次，对于碳纳米管限域通道，我们一方面研究了在压强和电场驱动下，Na+/K+在管口处的脱水过程以及离子水壳层在限域通道中的动力学行为，提出离子的两种输运行为和脱水模式，即电场驱动时离子倾向于从水合壳层中逃逸出进入限域通道，而在压强驱动下离子被周围水分子裹挟着通过受限通道；另一方面研究了在纵向电场驱动下，横向电场对碳纳米管中的离子溶液输运的影响，发现横向电场可以通过消弱阳离子和阴离子之间的输运竞争，来增强纳米通道中的水通量和渗透性。最后，我们基于石墨烯膜材料设计了对称性和非对称性二维纳米限域通道。通过非对称性通道内水和离子的输运行为研究，发现调整通道形状、入口尺寸和压差方向，通道可以满足海水淡化的要求。而对于对称性二维限域通道，基于实验上合成的要求，我们研究了其稳定性，发现水分子和通道两侧膜之间的共同作用可以避免通道的塌陷。此外我们研究了不同层间限域通道内水分子的传输行为和脱盐性能。发现高度为0.68nm的层间通道之所以具有非常好的水渗透性，归功于石墨烯表面的超光滑和低摩擦性；而高度约为0.78nm的层间通道不仅具有更好的水渗透性，而且满足海水大于97%的脱盐率，预测硅烯作为垫片设计而成的石墨烯限域通道可以用于海水脱盐。以上研究提出了不同限域层间通道内水输运的微观机制和脱盐性能，为未来设计新型的海水脱盐设备提供了全新的思路和方案。