溶液中离子对碳基纳米滤膜结构和性质的影响

Because they can provide ultrathin, high-flux, accurate and energy-efficient membranes for precise ionic and molecular sieving in aqueous solution, carbon-based nano water purification membranes (including graphene and graphene oxide) have been expected to be used as an excellent seawater desalination membrane, which have widely attracted attentions. Although the previous study of the proposer and cooperators have experimentally demonstrated the achievement of highly efficient and selective ion rejection with GO membranes by controlling the interlayer spacing using cations themselves and the interspacing can be controlled with precision as small as 1 Å, there are still many difficulties and issues. One of these important difficulties is that the water flux from experimental observation is far below than that from theoretical simulations. One of the important reasons is the ions in solution to impacting on the structures and properties of carbon-based nano water filtration membrane remains unknown. Herein, basing on the previous studies of the proposer, by theoretically computational simulation and experimental investigations of Shanghai Synchrotron Radiation Facility, we will study the general law of how the interaction between aromatic ring structures in membrane and the ions impact on the properties of carbon-based nano water filtration membrane, such as, interlayer distance, channel size, surface wetting, water flow in channel, ions rejecting rates, et al. Our study will provide a help for the application of carbon-based nano water filtration membrane and understand the physical and chemical properties and behaviors of ions on the carbon-based interface.

碳基纳米滤膜（如：石墨烯及其氧化物和复合膜等）以其超薄、高流量、精准、节能等脱盐特性，逐渐展现出了作为新一代滤膜的潜力，受到人们的广泛关注。尽管申请人及合作者前期的研究已经可以利用溶液中水合离子本身通过水合离子-π作用，对该滤膜层间距进行精确控制到约1纳米（精度约0.1纳米），然而仍然存在很多问题，特别是水通量远低于理论预期，其主要原因可能来自于缺乏离子对滤膜中二维孔道的结构和性质的影响认识。本项目中申请人将基于前的研究基础，通过基础理论计算模拟和上海同步辐射光源表征技术相结合的方法，研究和分析溶液中离子对该滤膜结构和性质的影响，如：膜内片层间趋向和距离、内部通道大小、材料表面官能团结构、离子在膜内的分布及化学价态性质、材料表面浸润性、通道内水的流动性以及对盐离子的去除率等，并期望总结一般规律。该项目希望为发展实用的碳基纳米滤膜的研究及认识离子在碳基界面的基本物理和化学行为提供参考和帮助。

碳基纳米滤膜（如：石墨烯及其氧化物和复合膜等）以其超薄、高流量、精准、节能等脱盐特性，逐渐展现出了作为新一代滤膜的潜力，受到人们的广泛关注。本项目主要研究了离子对碳基纳米滤膜结构和性质的影响，通过理论计算模拟和上海同步辐射光源表征技术相结合，总结了由水和离子诱导的碳基纳米膜表面上氧原子的迁移规律、对膜水通量和离子截留率的影响，以及高浓度下离子在膜内和膜表面特殊的结晶效应，特别是碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯/氧化石墨烯膜等）在水处理、分子筛等中涉及水合离子-π作用的关键科学问题和发展关键技术，成功设计并制造了目前世界上重量最轻, 出水量最大的个人便携式海水淡化样机进而成功制造出远超现有同类装置的便携式单兵海水淡化器和特种***专业设备。基于2017年项目负责人Nature基础研究成果，在本项目的支持下成功制备出一款石墨烯复合海水淡化膜，其单位面积水通量超过目前美军所用最先进陶氏海水淡化膜15倍，进而制造出单位时间产水量超过现有同类型（SNSD2005-1）装置60倍的便携式单兵海水淡化器，性能指标全面超过美军同类装备，2020年12月17日顺利通过海军装备部验收，并于2021年10月30日完成并通过海军装备部放置在中船海洋探测技术研究院有限公司所属的海军测试舰船救生艇上，在测试的过程可以连续不停止产水一周以上，常规间歇性产水使用超过一年，该装置不但解决了军工海水淡化设备中关键部件长期受制于国外陶氏海水淡化膜的关键卡脖子问题，正如用户证明上所说：“采用离子控制的膜分离技术彻底摆脱了对国外技术的依赖”，而且还大幅度提高了装置的性能；在此基础上进一步发展出***颠覆性技术突破了更加重要、密级更高的中央军委***重要工程控制性结点（由于涉及敏感信息，连项目题目都不能给出），解决了多项“卡脖子”问题。项目始终按计划书展开工作，顺利完成了原计划制定的研究目标，执行的结果主要反映在发表的13篇SCI论文、1本专著、获批5项发明专利以及制备便携式单兵海水淡化装置和***专用设备，在本项目的支持下获得中央军委专用技术和共用技术装备项目（2022）及中核“十四五”装备预研专用技术重点项目（2021）支持，培养的学生以及开展的国际国内合作里面。