安全清潔飲用水的缺乏已經威脅到近20億人的健康，而且預計情況只會進一步惡化。碳奈米材料在超高滲透率方面的潛力引起了分離領域研究者的極大興趣。然而，氧化石墨烯膜(GOms)由於其微觀結構的不穩定性，在橫流條件和施加的水力壓力下會導致失效，證明其生存能力有限。

近日，來自北京工業大學安全福團隊及美國耶魯大學Menachem Elimelech等研究者，提出了一種高度穩定和超滲透的ZIF-8奈米晶雜交氧化石墨烯膜，實現了膜的選擇性、水通量和穩定性的同步大幅提升。相關論文以題為“Graphene oxide membranes with stable porous structure for ultrafast water transport”發表在頂級期刊Nature Nanotechnology上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00833-9

由於迫切需要增加超過水文迴圈所能提供的水供應，有必要採用高階處理工藝來增加非常規水源的水供應，如海水、內陸微鹹水和各種廢水。膜基分離技術由於其高效率和低能耗，而引起了人們對高階處理工藝的極大興趣。

氧化石墨烯膜具有多功能反應基團和可調微結構，在實現超高水滲透性方面具有巨大潛力，近年來引起了人們的廣泛關注。此外，可以透過調節層間間距來調節膜的通透性和選擇性；這已被提出作為一種手段，實現了精確的尺寸選擇性分子篩。雖然GOms很有前景，但由於其不充分的水溶性選擇性和在水溶液中的結構不穩定性而阻礙了其實際應用，這兩者都受到骨架微結構的高度影響。

最近的研究表明，這些微孔缺陷是影響GOms可達到的水溶性選擇性的關鍵限制因素，這些缺陷的影響取決於它們被填充的程度。而傳統的製備方法(如真空過濾、滴鑄、蒸發和浸塗方法)形成的GOm疏鬆顯微組織是不足的。雖然相關研究解決了一些問題，但由於缺乏對傳統制備技術提供的GOm微結構的控制，實現選擇性和穩定的氧化石墨烯基納濾膜仍然具有很高的挑戰性。

在交叉流條件下，GOm的不穩定性會加劇，這種情況通常被應用於壓力驅動膜分離工藝中，因為這種工藝允許連續的膜分離，並提高了效能。橫流操作比通常研究的終端過濾方式產生更高的表面應力，因此需要提高微觀結構的穩定性。因此，需要新的製備方法來開發具有高分子選擇性的超滲透GOms，並能長期執行。

在此，研究者報道了一種高穩定性和超滲透性的層壓氧化石墨烯/咪唑啉沸石骨架-8(ZIF-8)混合膜結構的設計，其中ZIF-8在GOm微孔缺陷中的受限生長穩定了骨架的微觀結構，並使其能夠在交叉流條件和施加的水壓下長時間執行。ZIF-8在微孔缺陷中的選擇性生長擴大了層間距，同時也賦予了層狀框架的機械完整性，從而產生了穩定的微觀結構，能夠在180 h內保持60 l m−2 h−1 bar−1的水滲透性(比GOm高30倍)。此外，透過ZIF-8生長減緩微孔缺陷，使甲基藍分子的過選擇性提高了6倍。研究者利用低場核磁共振表徵了膜的多孔結構，並確認了ZIF-8的剪裁生長。

圖1 ZIF-8@f-GOm的製備與表徵。

圖2 氧化石墨烯基膜的孔結構及ZIF-8生長機制的闡明。

圖3 交叉流條件下氧化石墨烯基膜的納濾效能。

圖4 ZIF-8@f-GOm分離機制的說明。

綜上所述，研究者成功地製備了具有超高滲透率(~60 l m−2 h−1 bar−1)的高穩定性ZIF-8@f-GOm，並提高了溶質選擇性(MWCO≈1.3 kDa)。這種新的GOm結構是透過使用IT技術對標準GOm進行改性，然後進行ZIF-8原位結晶而實現的。透過控制凍幹條件，研究者能夠在多孔缺陷內精確裁剪ZIF-8奈米晶體。

值得注意的是，本研究首次嘗試對氧化石墨烯基膜的微孔缺陷進行精確填充，以提高選擇性，同時在較長時間(180 h)內保持超高通透性。這項工作表明，創新的製造技術有助於克服氧化石墨烯基膜鬆散的微觀結構所帶來的限制，開啟了基於新型二維材料的高效納濾膜設計之門。（文：水生）