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隨著全球水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，用于污水凈化和海水脫鹽的高效鹽水分離和凈化技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。二維材料因獨(dú)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(yīng)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(xiàn)大面積均勻的亞納米孔結(jié)構(gòu)面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)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(dǎo)致膜性能受限。因此，探索能夠在二維材料合成過(guò)程中直接形成精確孔結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)于提升分離膜性能具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所、上海大學(xué)、華南理工大學(xué)、香港大學(xué)、沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)等，基于前期對(duì)界面水合離子相互作用的理解以及對(duì)受限空間離子篩分和輸運(yùn)行為的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控二硫化鉬（MoS₂）晶界納米孔缺陷尺寸，可以實(shí)現(xiàn)有效水/離子分離和離子精準(zhǔn)篩分，達(dá)到海水淡化及離子精準(zhǔn)提取的效果。

該研究結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算，揭示了單層MoS₂晶界處形成的八元環(huán)孔結(jié)構(gòu)的尺寸篩分效應(yīng)。這一孔徑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^-通過(guò)。因此，單層MoS₂晶界處形成的八元環(huán)孔結(jié)構(gòu)可作為分子篩，以分離水和離子。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)精確控制MoS₂晶粒的生長(zhǎng)方向，在大面積單層MoS₂膜中實(shí)現(xiàn)豐富的8-MR孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，研究通過(guò)調(diào)節(jié)晶粒生長(zhǎng)時(shí)間、硫蒸氣壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶粒尺寸和晶界密度的精確調(diào)控。優(yōu)化后的MoS₂膜在多種測(cè)試條件下展現(xiàn)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(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，在海水淡化、污水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為二維材料在分離膜領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。這一方法不僅能夠精確控制孔結(jié)構(gòu)，并可以實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)膜制備。

相關(guān)研究成果以Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、上海市、青海省、香港特別行政區(qū)研究資助局等的支持。

論文鏈接

不同大小的缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同尺寸的篩分通道，用于水/離子分離