單層石墨烯納米孔的制備及對金屬離子的選擇性分離有什么意義呢？

石墨烯作為二維碳納米材料，被廣泛應用于能源電子、生物醫(yī)藥和化工材料等領域。目前，多位科學家根據(jù)理論計算預言單原子層石墨烯將有可能作為一種金屬離子的選擇性過濾膜而用于海水淡化、污水處理、能源電池領域。但是納米孔石墨烯過濾膜的制備是個難題：首先是如何制備出亞納米尺度的石墨烯納米孔，其次是需要選擇一種離子可自由穿過的基底材料來增加石墨烯過濾膜的可加工性和機械性能。

中科院蘭州化學物理研究所邱洪燈研究員（點擊查看介紹）帶領的“百人計劃”研究團隊與近代物理研究所材料研究中心的姚會軍副研究員（點擊查看介紹）、蘭州大學吳王鎖教授（點擊查看介紹）等合作解決了這一難題。他們利用重離子加速器輻照PET基單層石墨烯膜并結合化學蝕刻技術，成功制備出可用于水溶液中無機金屬離子選擇性過濾的多孔石墨烯分離膜。表征發(fā)現(xiàn)離子束輻照得到的亞納米孔周圍存在含氧基團。帶有含氧基團的納米孔會選擇性分離源溶液中的金屬離子，而位于另一側驅動液中的氫離子將絡合離子交換，進而在酸度驅動下，持續(xù)不斷實現(xiàn)金屬離子的從源溶液到驅動溶液的選擇性高效分離。

他們深入研究了電場、酸度及溫度等因素對無機金屬離子的選擇性分離的影響，發(fā)現(xiàn)石墨烯納米孔能實現(xiàn)同一價態(tài)離子、不同價態(tài)離子和同一元素不同價態(tài)離子之間的分離。結合密度泛函理論對分離過程進行模擬計算后進一步證實：石墨烯納米孔對金屬離子的高選擇性源于納米孔周圍的羧基帶來的離子交換作用。該工作為多孔石墨烯分離膜的制備及石墨烯納米孔的應用提供了新的思路。研究結果發(fā)表在美國《分析化學》雜志（Anal.Chem.,2016,88,10002-10010），蘭州化物所的李湛博士為該論文的第一作者。