特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
通過納米孔膜的選擇性分子運輸是許多重要分離和純化過程的基礎。原則上，二維（2D）材料，如石墨烯，是制備高性能分離膜的理想材料。這是因為它們非常薄，從而最大限度地提高了存在納米孔的分子運輸效率。理論研究表明，在海水淡化和氣體分離方面，基于二維材料的膜在滲透性和選擇性方面可能大大優于傳統的聚合物膜。
關鍵問題
然而，二維材料在膜分離方向的應用主要存在以下問題：
1、 在二維材料上大面積形成均勻亞納米孔存在極大挑戰
目前的納米孔制備方法（如離子輻照、化學蝕刻等）難以精確控制孔徑和孔隙密度，導致孔徑分布不均勻，影響膜的滲透性和選擇性。因此，在二維材料上大面積形成均勻的亞納米孔是很困難的。
2、由于晶界結構的隨機性，難以實現高孔隙密度和理想膜性能
在二維材料合成過程中直接生成納米孔更有希望實現精確的孔徑控制和高孔隙密度，但二維材料生長過程中形成的晶界（GBs）會引入結構不均勻性，難以實現高孔隙密度和理想的膜性能。
新思路
有鑒于此，華南理工大學韓宇教授、香港大學Lain-Jong Li教授、阿卜杜拉國王科技大學Ingo Pinnau教授、Vincent Tung教授及上海大學石國升教授等人報道了定義明確的八元環（8-MR）孔，通常形成在兩個反平行的單層二硫化鉬（MoS2）晶粒的邊界上，可以作為有效的水離子分離的分子篩。晶界密度和8-MR孔的數量可以通過調節晶粒尺寸來調節。優化后的二硫化鉬膜在正向滲透測試中表現出超高的水/氯化鈉選擇性和優異的透水性，優于最先進的膜。通過晶界工程在原子薄膜上制造精確的孔結構，為制備適合各種應用的薄膜提供了一條有潛力的途徑。
技術方案：
1、實現了具有高密度八元環（8-MR）孔的晶界（GBs）設計
作者通過控制MoS?晶粒的60°取向關系，成功制備了富含8-MR孔的多晶單層膜，為高性能分離膜的制備提供了新思路。
2、制備了高性能水/離子分離膜
作者通過聚二甲基硅氧烷輔助技術將單層MoS?薄膜轉移到多孔聚碳酸酯襯底上，制備的分離膜表現出優異的水/離子分離性能。
3、探索了C-MoS?膜的分離機理
作者提出C-MoS?膜的優異水離子分離能力源于8-MR孔的尺寸排斥效應，主要通過分子篩分機制實現。
技術優勢：
1、利用晶界工程實現了精確孔結構合成
通過精確控制MoS?晶粒的反平行取向，生成具有設計多孔結構的晶界（GBs），其中八元環（8-MR）孔占主導地位。這些孔隙能夠有效阻斷水合離子，同時實現快速水輸送，顯著提升膜的水通量和水/離子選擇性。
2、實現了孔隙密度的可控優化，獲得了優異的分離性能
作者通過調節晶粒尺寸，可以控制晶界密度和8-MR孔的數量，從而優化膜的滲透性和選擇性。優化后的MoS?膜在正向滲透測試中表現出超高的水/氯化鈉選擇性和優異的透水性，性能優于現有最先進的膜。
技術細節
單層二硫化鉬的GB工程
作者通過精確控制單層MoS?晶粒的取向，實現了具有高密度八元環（8-MR）孔的晶界（GBs）設計，這些孔隙適合水離子分離。基于DFT和MD模擬，8-MR孔徑（~4.2×2.4 ?）可快速滲透水分子，同時完全拒絕水合Na?和Cl?離子。實驗中，通過在藍寶石襯底上對齊MoS?晶種，成功制備了具有固定60°取向關系的多晶單層MoS?膜（C-MoS?），其8-MRs占所有孔隙的97%，而隨機取向的MoS?膜（R-MoS?）中主要為7-MRs。通過調節晶粒尺寸，C-MoS?膜的8-MR密度可達6.5×1011 cm?2。研究還發現，控制MoS?晶粒取向和尺寸的關鍵因素包括：初始沉積溫度、硫蒸氣壓以及晶粒邊緣類型。這些發現為通過晶界工程制備高性能分離膜提供了新的思路。
圖 二硫化鉬晶界缺陷結構
圖 R-MoS2和C-MoS2的微觀表征
用于水離子分離的二硫化鉬膜
作者通過聚二甲基硅氧烷輔助技術將CVD生長的單層MoS?薄膜轉移到多孔聚碳酸酯（PC）襯底上，制備了高性能分離膜。該膜在正向滲透測試中表現出優異的水/離子分離性能，水通量和水/NaCl選擇性呈正相關。C-MoS?-0.26膜的水透性為~232 mol m?2 h?1 bar?1，水/NaCl選擇性達~6.5×10?。其性能優于傳統海水淡化膜和其他高性能膜。此外，該膜在模擬海水中展現出高離子截留率（>99.9%）和良好的機械與化學穩定性。研究還發現，膜的性能與8-MR孔的數量相關，晶粒尺寸減小可增加8-MR孔密度，從而提高膜的透水性和選擇性。
圖 C-MoS2膜的水離子分離
分離機理的探索
C-MoS?膜的優異水離子分離能力主要源于其8-MR孔的尺寸排斥效應，這種孔隙能夠有效阻止水合離子通過，同時允許水分子快速傳輸。研究表明，C-MoS?膜的分離機制與溶液的pH值和離子種類關系不大，而是主要依賴于8-MR孔的分子篩分作用。在壓力驅動條件下，C-MoS?膜對多種離子表現出高選擇性，且在高鹽濃度下仍能高效去除硼，其硼吸附率在pH 6~10范圍內保持穩定。此外，C-MoS?膜在機械和化學穩定性方面表現出色，能夠在復雜工況下長期穩定運行。這些特性表明，C-MoS?膜在水處理和海水淡化等領域具有廣闊的應用前景。
圖 C-MoS2-0.26膜分離水離子的機理
展望
總之，作者證實了利用具有特殊設計結構缺陷的單層二硫化鉬膜可以實現水離子分離。精確控制二硫化鉬晶粒的取向和尺寸是制備高性能分離膜的關鍵。當所有MoS2晶粒具有固定取向關系（0°或60°）時，所需的8-MR缺陷在GBs處占主導地位，導致形成具有高水/離子選擇性的膜。此外，晶粒尺寸決定了GBs的數量，從而決定了8-MR孔的密度。這項工作中報道的合成方法為二維材料的局部結構的可控生成提供了一種策略方法來調節其性質。
參考文獻：
Jie Shen, et al. Engineering grain boundaries in monolayer molybdenum disulfide for efficient water-ion separation. Science, 2025, 387(6735):776-782.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado7489
